ナノテクノロジーへの一歩
数千年前、人々は周囲の天体が何でできているのか疑問に思いました。 答えはさまざまでした。 古代ギリシャでは、科学者たちは、すべての物体は原子と呼ばれる小さな分割できない要素で構成されているという意見を表明しました。 どのくらい少ないのか、彼らは特定できませんでした。 数世紀の間、ギリシャ人の見解は仮説にすぎませんでした。 それらは、分子や原子のサイズを推定するための実験が行われたXNUMX世紀に返されました。
粒子サイズの計算を可能にした歴史的に重要な実験の XNUMX つが実行されました。 イギリスの科学者レイリー卿。 簡単でありながら説得力があるので、ぜひ家でも繰り返してみてください。 次に、分子の特性の一部を学ぶことを可能にする他の XNUMX つの実験に移ります。
粒子サイズはどれくらいですか?
米。 抽出ガソリン中の油の溶液をその中に入れるための注射器を準備する方法； ２． p-ポキシリン、
c - 注射器
次の実験を行って、この質問に答えてみましょう。 注射器から2cm3 プランジャーを取り外し、その出口をポキシリンで密封し、針挿入用の出口チューブを完全に満たします (図 1)。 ポキシリナが固まるまで数分間待ちます。 このとき、シリンジに0,2cm程度注入してください。3 食用油を測定し、この値を記録します。 オイルBの使用量です。o。 シリンジの残りの量をガソリンで満たします。 均質な溶液が得られるまで両方の液体をワイヤーで混合し、任意のホルダーにシリンジを垂直に固定します。
次に、洗面器に深さ0,5〜1 cmの温水を注ぎますが、立ち上る蒸気が見えないように、熱くないお湯を使用してください。 紙片を水面に沿って接線方向に数回ドラッグして、表面の浮遊花粉を取り除きます。
オイルとガソリンを少し混ぜたものをスポイトに入れ、水を入れて容器の中心に沿ってスポイトを動かします。 消しゴムを軽く押して、できるだけ小さな滴を水面に落とします。 オイルとガソリンの混合物を一滴垂らすと、水面上であらゆる方向に広く広がり、最も好ましい条件下では、粒子直径 XNUMX つと同じ厚さの非常に薄い層、いわゆる層を形成します。 単分子層。 しばらくすると、通常は数分後にガソリンが蒸発し (水の温度が上昇することで蒸発が促進されます)、油の単分子層が表面に残ります (図 2)。 得られる層は、ほとんどの場合、直径が数センチメートル以上の円形になります。
米。 2. 水面の油の単分子層
m – 骨盤、c – 水、o – 油、D – 層の直径、d – 層の厚さ
（油の粒子径）
懐中電灯の光を水面に斜めに当てて水面を照らします。 これにより、レイヤーの境界がより見やすくなります。 水面のすぐ上に定規を置くと、おおよその直径 D を簡単に求めることができます。 この直径がわかれば、円の面積の公式を使用して層 S の面積を計算できます。
オイル V の体積がわかっていれば1 滴下された液滴に含まれる油の分子の直径 d は、油が溶けて表面 S の層を形成すると仮定すると、簡単に計算できます。
式 (1) と (2) を比較し、簡単な変換を行うと、油粒子のサイズを計算できる式が得られます。
体積 V を決定する最も簡単ではありますが、最も正確な方法ではありません1 シリンジに含まれる混合物の全量から何滴が得られるかを確認し、使用するVoオイルの量をその数で割ります。 これを行うには、混合物をピペットに取り、水面に滴下したときと同じサイズに保たれるように液滴を作成します。 混合物全体がなくなるまでこれを行います。
より正確ですが、より労力がかかる方法では、水面に油を繰り返し滴下し、油の単分子層を取得し、その直径を測定します。 もちろん、各層を作成する前に、以前に使用した水と油を洗面器から注ぎ、きれいなものを補充する必要があります。 算術平均は、得られた測定値から計算されます。
得られた値を式(3)に代入し、単位を変換してメートル(m)とVで表現することを忘れないでください1 立方メートル (m)3）。 粒子サイズをメートル単位で取得します。 このサイズは使用するオイルの種類によって異なります。 結果は、特に層が単分子ではなく、液滴のサイズが常に同じではないという単純化された仮定により、誤っている可能性があります。 層の単分子性の欠如が d 値の過大評価につながることは容易にわかります。典型的なオイルの粒子サイズは 10 以内です。-8-10-9 m. ブロック 10-9 mと呼ばれます ナノメートル として知られる急速に発展している分野でよく使用されます。 ナノテクノロジー.
液体の「消失」量
米。 3. 液体の収縮を試験する容器の設計。
g - 透明なプラスチックチューブ、p - ポキシリン、l - 定規、
t - 透明テープ
次の 1 つの実験により、異なる物体の分子は異なる形状とサイズを持つと結論付けることができます。 最初の作業を行うには、内径 2 ～ 30 cm、長さ 3 cm の透明なプラスチック チューブを 14 つ切り、各チューブを数枚のテープで別の定規の反対側の端に貼り付けます。スケール（図XNUMX）。 ホースの下端をポキシリンプラグで閉じます。 両方の定規を接着ホースで垂直位置に固定します。 ホースの XNUMX つに十分な水を注ぎ、ホースの長さの約半分 (たとえば XNUMX cm) の柱を作り、同じ量のエチル アルコールを XNUMX 番目の試験管に注ぎます。
さて、両方の液体の混合物の柱の高さはどれくらいになるでしょうか? 実験的に答えてみましょう。 給水ホースにアルコールを注ぎ、すぐに液体の上部レベルを測定します。 ホースに防水マーカーでこのレベルをマークします。 次に、両方の液体をワイヤーで混合し、レベルを再度確認します。 私たちは何に気づきますか？ このレベルが低下していることがわかります。 混合物の体積は、それを製造するために使用される材料の体積の合計よりも少ない。 この現象を液量収縮といいます。 通常、体積の減少は数パーセントです。
機種説明
圧縮効果を説明するために、模型実験を行います。 この実験では、アルコール分子は豆粒で表され、水分子はケシの実になります。 粗粒エンドウ豆を高さ 0,4 m の高さの最初の細長い透明な容器 (たとえば背の高い瓶) に注ぎ、ケシの実を同じ高さの 1 番目の容器に注ぎます (写真 1a)。 次に、ケシの実をエンドウ豆の入った容器に注ぎ、定規を使用して、粒の最上部が到達する高さを測定します。 容器にマーカーまたは薬局の消しゴムでこのレベルをマークします（写真1b）。 容器を閉めて数回振ります。 それらを垂直に置き、穀物混合物の上層がどの高さに到達するかを確認します。 混合前よりも低下していることがわかります（写真XNUMXc）。
実験では、混合後、小さなケシの実がエンドウ豆の間の空いたスペースを埋め、その結果、混合物が占める総体積が減少することがわかりました。 同様の状況は、水をアルコールやその他の液体と混合するときに発生します。 その分子にはあらゆるサイズと形状があります。 その結果、小さな粒子が大きな粒子間の隙間を埋め、液体の体積が減少します。
写真 1. 圧縮モデルの研究の次の段階:
a) 豆とケシの実を別々の容器に入れ、
b) 脱粒後の穀粒、c) 混合後の穀粒の体積の減少
現代における影響
今日、私たちの周りのすべての物体は分子で構成されており、それらもまた原子で構成されていることがよく知られています。 分子と原子は両方とも常にランダムな運動をしており、その速度は温度に依存します。 最新の顕微鏡、特に走査トンネル顕微鏡 (STM) のおかげで、個々の原子を観察することができます。 原子間力顕微鏡（AFM）を使用する方法もあります。これにより、個々の原子を正確に移動させて、それらを組み合わせてシステムと呼ばれます。 ナノ構造。 圧縮効果には実用的な意味もあります。 必要な量の混合物を得るために必要な特定の液体の量を選択するときは、このことを考慮する必要があります。 それを考慮する必要があります。 ウォッカの製造では、ウォッカは主にエチルアルコール（アルコール）と水の混合物であり、得られる飲み物の体積は成分の体積の合計よりも少なくなります。
