Il colorante alimentare illustra la diffusione nell'acqua. La diffusione è la miscelazione di molecole a causa del loro movimento casuale, sia in un liquido che in un gas. Poiché le molecole nell'acqua fredda hanno meno energia cinetica rispetto all'acqua calda, il processo di diffusione è molto più lento rispetto all'acqua calda. Ma il colorante alimentare può anche mostrare movimenti non casuali, come l'agitazione dell'acqua per convezione.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
TL; DR: Il colorante alimentare aggiunto al centro di un bicchiere di acqua fredda affonderà sul fondo. Se mescoli l'acqua fredda o aggiungi il colorante all'acqua calda, si diffonderà molto più rapidamente.
Il meccanismo di diffusione
La diffusione non richiede agitazione, come l'agitazione, sebbene l'agitazione acceleri il processo. Nel caso del colorante alimentare in acqua, l'acqua è il solvente mentre il colorante alimentare è il soluto. Una volta che si sono mescolati, creano una soluzione. La diffusione richiede tempo, anche se quanto tempo dipende dall'energia cinetica delle molecole che rimbalzano casualmente tra loro. Questo rimbalzo casuale - chiamato moto browniano - deriva dalla vibrazione degli atomi, che fanno più velocemente e più forte quanto più sono caldi. Il risultato finale di questi movimenti, nel tempo, è la soluzione finale, uniforme.
Miscelazione per differenza di gravità specifica
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Il colorante alimentare ha un peso specifico, o densità relativa, leggermente superiore rispetto all'acqua, quindi prima che abbia il tempo di diffondersi, tende ad affondare nell'acqua. Quando l'acqua è fredda e la velocità di diffusione è più lenta, una parte maggiore del colorante alimentare rimane insieme in un pennacchio che cade sul fondo del contenitore. Lasciato solo e indisturbato, potrebbe formare uno strato in basso; a causa del moto browniano, tuttavia, non ci sarà un confine nettamente definito tra l'acqua e la colorazione. Il movimento casuale delle molecole diffonderà gradualmente il colore nell'acqua. L'agitazione accelererà il processo di diffusione.
Miscelazione per convezione
Se il contenitore dell'acqua è più caldo o più freddo dell'aria ambiente, svilupperà modelli di flusso convettivo quando l'acqua si avvicina alla temperatura ambiente. Nel caso di acqua fredda in un ambiente caldo, i lati del contenitore conducono il calore alla periferia dell'acqua. L'acqua fredda e più densa al centro affonda. Il colorante alimentare aggiunto a questa colonna centrale che affonda guiderà il flusso convettivo sul fondo del contenitore, ma poi lo farà anche salire sui lati, di nuovo verso l'alto per girare di nuovo. Questo flusso serve ad agitare la soluzione, accelerando la diffusione.
Cosa succede quando l'acqua viene alterata?
Confronta gli effetti del calore e della densità sulla diffusione del colorante alimentare. Prova un confronto fianco a fianco della diffusione in acqua fredda e in acqua calda. La diffusione sarà molto più lenta nell'acqua fredda. Prova a sciogliere mezzo cucchiaio di sale in acqua e poi lascia cadere il colorante alimentare. La colorazione continuerà a diffondersi, ma non affonderà perché l'acqua salata ha un peso specifico più elevato. Prova a posizionare una fonte di calore, come una luce a incandescenza, contro un lato del vetro e attendi qualche minuto prima di far cadere il colorante. Cavalcherà – e quindi renderà visibile – il flusso convettivo.