Броуновское движение в химии (причины, суть, теория, примеры, факторы, скорость)

Что такое броуновское движение?
Броуновское движение - это случайное движение частиц в жидкости или газе. Это движение происходит, даже если никакие внешние силы не применяются. Частицы никогда не остаются полностью неподвижными. Вместо этого движение происходит из-за столкновения частиц друг с другом в жидкости или газе. В теории подобно тому, как удары бильярдных шаров заставляют их менять направление, то же самое относится и к молекулам. Столкновение первой частицы с второй частицей приведет к тому, что обе частицы изменят свой импульс (направление и скорость).

Шаги, которые предпринимает частица, некоррелированы и в этом суть. Каждый шаг является случайным и не зависит от предыдущего шага. Броуновское движение часто моделируется с использованием ‘случайного блуждания’. Расстояние частицы от ее начального положения будет гауссовым распределением, ширина которого со временем увеличивается. Это означает, что с течением времени частица, скорее всего, будет дальше от своего начального местоположения.

Другие названия броуновского движения включают броуновское движение и педесис (по-гречески "скачущий’). Броуновское движение также называют тепловым шумом из-за его связи с температурой.

С повышением температуры в системе появляется больше энергии, и движение увеличивается.

Факторы, которые увеличивают движение частиц
Повышение температуры: чем выше температура, тем больше энергии имеет каждая частица.

Менее вязкий раствор: чем более вязким является раствор, тем больше энергии требуется частице для его перемещения. Подумайте о попытке пройти через мелассу (очень вязкую) по сравнению с водой (менее вязкой). Через воду будет легче перемещаться. То же самое верно в меньшем масштабе для отдельных частиц.
Меньшие частицы: скорость частиц обратно пропорциональна размеру частицы. Следовательно, частицы меньшего размера будут двигаться быстрее и перемещаться дальше, чем частицы большего размера.

Броуновское движение в коллоидах
Коллоид представляет собой однородную смесь с крупными частицами, взвешенными в растворе другого вещества. Молоко и туман являются распространенными примерами коллоидов. Более крупные частицы остаются взвешенными в растворе и не оседают на дно, как предсказывалось, из-за силы тяжести. Вместо этого броуновское движение - это то, что удерживает частицы в растворе.

Эффекта столкновения всех более мелких частиц с более крупными частицами достаточно, чтобы противодействовать гравитации и заставить крупные частицы оставаться в растворе.

Примеры броуновского движения
Броуновское движение может быть трудно наблюдать. Все частицы в жидкости или газе движутся благодаря броуновскому движению.

Диффузия происходит частично из-за броуновского движения. Частицы удаляются от своего первоначального положения и распределяются случайным образом.

Обычный эксперимент, в котором броуновское движение можно легко отследить, - это наблюдение за флуоресцентными красителями в растворе. Отдельные частицы отслеживаются путем обнаружения фотонов или света, испускаемых отдельными молекулами при их движении через раствор.

Каждый элемент имеет случайную траекторию и не все движутся в одном направлении.

Кто открыл броуновское движение?
Шотландский ботаник Роберт Браун был первым известным исследователем броуновского движения в 1827 году. Он изучал семена растений и был озадачен их движением, даже когда они были мертвы. Из этого наблюдения он сделал вывод, что происходит какое-то другое явление.

После открытия Брауна Эйнштейн продолжил исследование этого явления. И в 1905 году он опубликовал первую статью на эту тему. Затем Жан Батист Перрен продолжил исследования Эйнштейна. За свою работу Перрен был удостоен Нобелевской премии по физике в 1926 году.

В начале 1900-х годов Норберт Винер также был важной фигурой в изучении броуновского движения. Винер сосредоточился на математических моделях броуновского движения и других случайных процессах.

Многие другие ученые также сосредоточились на изучении броуновского движения, и сегодня это все еще продолжающаяся область исследований.