Le colorant alimentaire illustre la diffusion dans l'eau. La diffusion est le mélange de molécules en raison de leur mouvement aléatoire, que ce soit dans un liquide ou un gaz. Parce que les molécules dans l'eau froide ont moins d'énergie cinétique que dans l'eau chaude, le processus de diffusion est beaucoup plus lent que dans l'eau chaude. Mais le colorant alimentaire peut aussi montrer des mouvements qui ne sont pas aléatoires, comme l'agitation de l'eau par convection.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
TL; DR: Le colorant alimentaire ajouté au centre d'un bécher d'eau froide coulera au fond. Si vous remuez l'eau froide ou ajoutez le colorant à de l'eau tiède, il se diffusera beaucoup plus rapidement.
Le mécanisme de diffusion
La diffusion ne nécessite pas d'agitation, telle que l'agitation, bien que l'agitation accélère le processus. Dans le cas du colorant alimentaire dans l'eau, l'eau est le solvant tandis que le colorant alimentaire est le soluté. Une fois qu'ils ont mélangé, ils font une solution. La diffusion prend du temps, mais combien de temps dépend de l'énergie cinétique des molécules qui rebondissent aléatoirement les unes sur les autres. Ce rebond aléatoire – appelé mouvement brownien – résulte de la vibration des atomes, ce qu'ils font plus vite et plus fort plus ils sont chauds. Le résultat final de ces mouvements, au fil du temps, est la solution finale et uniforme.
Mélange par différence de gravité spécifique
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Le colorant alimentaire a une densité ou une densité relative légèrement plus élevée que l'eau, donc avant qu'il n'ait le temps de se diffuser, il a tendance à couler dans l'eau. Lorsque l'eau est froide et que la vitesse de diffusion est plus lente, une plus grande partie du colorant alimentaire reste ensemble dans un panache tombant au fond du récipient. Laissé seul et non dérangé, il pourrait former une couche au fond; à cause du mouvement brownien, cependant, il n'y aura pas de frontière bien définie entre l'eau et la coloration. Le mouvement aléatoire des molécules diffusera progressivement la couleur dans l'eau. L'agitation accélérera le processus de diffusion.
Mélange par convection
Si le récipient d'eau est plus chaud ou plus froid que l'air ambiant, il développera des modèles d'écoulement convectif à mesure que l'eau approche de la température ambiante. Dans le cas d'eau froide dans un environnement chaud, les parois du récipient conduisent la chaleur vers la périphérie de l'eau. L'eau fraîche et plus dense au centre coule. Le colorant alimentaire ajouté à cette colonne centrale s'enfoncera dans le flux convectif jusqu'au fond du récipient, mais il remontera également le flux sur les côtés, de nouveau vers le haut pour faire un nouveau cycle. Ce flux sert à agiter la solution, accélérant la diffusion.
Que se passe-t-il lorsque l'eau est modifiée?
Comparer les effets de la chaleur et de la densité sur la diffusion du colorant alimentaire. Essayez une comparaison côte à côte de la diffusion dans l'eau froide et dans l'eau chaude. La diffusion sera beaucoup plus lente dans l'eau froide. Essayez de dissoudre une demi-cuillère de sel dans de l'eau, puis déposez le colorant alimentaire. La coloration se diffusera toujours, mais elle ne coulera pas car l'eau salée a une densité plus élevée. Essayez de placer une source de chaleur, comme une lumière incandescente, contre un côté du verre et attendez quelques minutes avant de laisser tomber la coloration. Il chevauchera – et rendra ainsi visible – le flux convectif.