Диаметр молекулы равен объем масла разделить на площадь слоя масла толщиной в 1 молекулу

Наш мир состоит из материи. Материя может находиться в разных состояниях - твердом, жидком, газообразном, в состоянии плазмы (огня) и упорядоченных жидких кристаллов. Материя состоит из взаимодействующих молекул. Давайте попробуем определить размер молекулы масла.

Большинство молекул очень короткие цепочки атомов и их невозможно разглядеть глазами и тем более измерить линейкой. В одном делении линейки может разместиться несколько миллионов молекул. Как же померять размер отдельной молекулы растительного масла?

Для этого надо изучить свойства отдельной молекулы масла. Масла сами по себе очень различные. Бывают растительные, минеральные и синтетические масла.

Пример материи - обычное растительное масло

Растительное масло бывает:

нерафинированное, гидратированное, рафинированное и дезодорированное.

• Нерафинированное - полученное путем механической обработки прессом масло-содержащих семян.

• Гидратированное - очищенное горячей водой (70°С), пропущенной в распыленном состоянии через горячее масло (60°С). При этом происходит замена двойных химических связей между Атомами углерода на одинарные с присоединением атомов водорода.

• Рафинированное масло - биологически неактивное и не имеет ценности для здоровья.

• Дезодорированное подвергается обработке растворителями такимм как Гексан (Hexan C6H14) или бензол (бензин).

Задача очистки масел возникла во времена промышленной революции

Адвин Дрейк (Edwin Drake) в 1859 году начал выпуск Керосина - очищенного от примесей масла для светильников. Вильям Буртон (William Burton) применил процесс пиролитики (нагревания до 700 градусов Цельсия керосина для измельчения молекул гидрокарбонатов на мелкие кусочки).

Для первых двигателей использовали Минеральные масла получаемые из нефти. В современное время широко распространены Синтетические моторные масла получаемые, например, из газа в результате химического процесса с добавлением необходимых химических элементов для придания маслам нужных физических свойств. Одно из таких свойств - одинаковый размер молекул.

Гипотеза

На поверхности воды пятно масла растекаеться до тех пор, пока толщина слоя не будет равна примерно 1 молекуле.

Цель проекта

Получить практический навык взаимодействия с невидимой глазами частью материи.

Методы исследования

Физический и Математический.

Теория

История

Михаил Васильевич Ломоносов (1711 - 1765) предложил близкую к современной кинетическую модель идеального газа и на ее основе объяснил зависимость между объёмом и упругостью воздуха (ранее для объяснения упругости газов предлагались, например, некие особые «упругие частицы»). Ломоносов впервые получил ртуть в твердом состоянии, установил её упругость и электропроводность, что стало основанием для отнесения этого вещества к металлам (1759). Открыл закон сохранения массы.

Француз Джозеф Гай-Луcас (Joseph Gay-Lussac 1778 - 1850) и итальянец Амадео Авогадро (Amadeo Avogadro 1776 - 1850) провели опыты и доказали что объем газа при том же давлении и температуре в результате химических преобразований не меняется.

Теория размерности

Каждая физическая величина относиться к определенной группе физических параметров, которые измеряются с помощью специальных инструментов.

Так температура измеряется термометром.

Размер линейкой или сантиметром (в долях метра).

Для приближенного измерения площади (в метрах квадратных) нужно умножить длинну площади на ширину площади. Площадь можно измерять (в квадратных метрах) с помощью подсчета количества плиток которые требуються для замащивания всей площади.

Можно измерить объем путем аккуратного размещения кубиков внутри объема.

Для того чтоб получить правильные результаты необходимо всегда приводить значения физических величин к принятой системе измерений. Одна из первых систем измерений - Сантиметр-Грамм-Секунда (СГС). До использования в вычислениях электромагнитных величин система измерений СГС была не противоречива. Сейчас используют систему измерений СИ. В первой части нашего курса мы будем приводить все физические величины к Метрам-Килограммам-Секундам, так как это основные единицы измерений современной системы измерений (СИ).

Идеальная молекулярная цепь

Вообразим идеальную молекулу, которая связана только с двумя другими идеальными молекулами. Вместе они образуют очень длинную цепь. Предположим, что у нас имеется молекулярный 3D принтер. Он устроен таким образом что из подающего сопла поступает длинная цепь нашей нагретой цепи молекул.

Допустим нам надо сгенерировать кубик определенного размера. Для этого мы укладываем первую часть цепи молекул вдоль выбранной грани. Если в каждом миллиметре цепи у нас порядка 10 миллионов молекул, то в сантиметре будет уже около 100 миллионов молекул. Для простоты предположим что каждая идеальная молекула состоит у нас из 1 идеального атома. Тогда каждый идеальный атом будет иметь размер 1 Ангстрем равный 10 в минус десятой степени метра. Если мы выберем длинну грани куба в 100 миллионов молекул или примерно 1 сантиметр и уложим рядом еще 100 миллионов таких нитей змейкой. То мы получим площадь в 1 квадратный сантиметр сложенную из нашей молекулярной цепи. В процессе остывания наше вещество может затвердеть.

Нанесем поверх нашей площади точно такую по размеру площадь и повторим это еще 100 миллионов раз. Таким образом, математическим методом мы рассчитали сколько атомов будет у нас в кубе. Сто миллионов это десять в восьмой степени - длинна грани в атомах. Десять в шестьнадцетой степени - площадь одной грани куба в "квадратных атомах". И десять в двадцать четвертой степени это объем нашего куба в "кубических атомах". Так как линейный размер одного атома мы приняли в 1 Ангстрем, то объем нашего куба будет десять в двадцать четвертой степени кубических Ангстремм. Примерно такое число называют числом Авогадро NA = 6,022 140 857(74)·10^23 моль−1.

Цепной комплекс

Переходы от Длинны к Объему ( Объем V <- Площадь S <- Длинна l ) будем называть цепным комплексом. Каждую операцию перехода (стрелочку) будем называть внешними производными или граничными операторами.

Граничный оператор может быть представлен в виде матрицы, которая преобразует отдельные отрезки в списки ребер для каждой грани. Это чисто математическая формальная операция которую осуществляют с помощью компьютера по заранее заданному алгоритму.

Обратный переход от Объема к Длинне через Площадь - коцепным комплексом.

В каждый момент времени геометрия молекул вещества (например масла) это топологическое многообразие, которое можно представить себе как скомканный лист бумаги. Но это будет упрощение, так как во время растекания молекулы масла в суспензии с воздухом на поверхности воды перестраиваются.

Специальные термин цепной топологический комплекс используется чтоб показать все возможные состояния нашей длинной цепи молекул. Под воздействием тепла атомы в нашей молекуле постоянно перестраиваются на своем микроуровне. Эти движения не заметны глазу. На макроуровне (то что мы видим глазами) форма изучаемой нами материи быстро не меняется. Поэтому капля масла на повехности воды выглядит неподвижной.

Система физических величин

Все физические величины в горизонтальных графах нашей таблице образуют коцепные комплексы. Поэтому, если мы вывели формулу для объема сферы зависящую от радиуса V3 = 4/3 pi R^3, то простым дифференцированием по радиусу мы получим площадь сферы S2 = 4 pi R^2. Далее если выбрать одну плоскую окружность заданного радиуса то площадь круга будет равна S = pi R^2. Дифференцируем по Радиусу и получаем что длинна окружности равна l = 2 pi R.

Аналогичные формулы можно получить для торов, гиперторов и других элементов многообразий. Все эти структуры записаны нами в одной таблице с помощью простого коципного комплекса V -> S -> l -> 1 -> ...

Обратите внимание на клетку номер 23 в таблице. Там находится число Авогадро Na. Его единицы измерения моль в минус первой степени. Но это число безразмерная величина в cистеме измерений (СИ). Такие же безразмерные величины - температуры (измеряемые в градусах) и углы (измеряемые в радианах или градусах - например, если продеференцировать по радиусу длинну окружности 2 pi R, то мы получим протяженность окружности в угловых величинах радианах 2 pi. Эта величина так же располагаеться в 23 клетке таблицы). Все безразмерные величины находятся в этой клетке.

Оборудование и материалы

• Журнал измерений (Анкета)
• Мерный сосуд
• Ванночка или глубокая тарелка
• Пипетка для масла
• Термометр для жидкостей
• Линейка или микрометр
• Масло
• Вода

Зачем в исследовании нужны материалы других участников

Участники ГлобалЛаб находятся в различных странах и различных климатических поясах. Если мы будем сравнивать физические параметры для каждого типа растительного масла, которое употребляют в еду, то на основе общих статистических данных сможем построить графики популярности и косвенных физических данных качества растительного масла для различных мест нашей страны. Таких как плотность или вязкость водно-масляных эмульсий, цвет и запах.

Протокол проведения исследования

0. Сделайте фотографию вашего масла для сравнения цвета.

1. Записать тип и вид используемого масла в журнал измерений, а так же запишите цвет и запах масла.

2. Накапать в мерный сосуд 100 капель масла и сделать запись о количестве капель в журнале.

3. Измерить объем масла и записать в журнал измерений.

4. Рассчитать объем одной капли масла и сравнить с автоматически полученным значением в журнале.

5. Нагреть воду в ванночке до 40 градусов Цельсия за счет постепенного добавления горячей воды.

6. Капнуть 1 каплю масла в центр ванночки.

7. Убедиться что пятно масла на воде круглое и измерить его диаметр. Записать диаметр пятна в журнал вычислений.

8. По формуле вычислить площадь пятна и сравнить с вычисленным значением в журнале вычислений.

9. Получить формулу размера молекулы в зависимости от объема и площади и записать в журнал.

10. Сравнить формулу с автоматически полученной формулой из нашей таблицы физических величин в журнале вычислений.

11. Вычислить размер молекулы масла по вами полученной формуле и сравнить со значением в журнале.

12. Если у вас есть под рукой другой тип масла, попробуйте провести аналогичные исследования для другого типа масла, запишите в журнал и сделайте выводы о наличии или отсутствии зависимости диаметра молекулы масла от цвета и запаха масла при сравнении результатов измерений.

Техника безопасности

Будьте аккуратны при обращении с горячей водой и не накапайте масло на одежду, либо используйте лабораторный халат и резиновые перчатки во время проведения опыта.

Ссылки

http://lomonosov.sinp.msu.ru/project/m-v-lomonosov-zachinatel-rossiyskoy-nauki

http://www.myshared.ru/slide/1007774/

https://vehiclemaintenanceandrepairs.com/why-change-car-oil-101/

https://nplus1.ru/news/2017/11/18/nanodroplets-fusion

http://novmysl.ru/ThermoStat/Ralay_MolSize.html