Диффузия. Обмен веществ с помощью диффузии. Сущность диффузии.

Обновлено: 05.05.2024

Участник: Багирова Эльмира Искендеркызы
Руководитель: Жукова Наталья Вячеславовна

Цель: расширить знания о диффузии, объяснить физическую природу явления диффузии, подтвердить теоретические факты опытными результатами, обобщить приобретённые знания и сделать выводы

Диффузия - это взаимное проникновение одного вещества между молекулами другого.

Большую роль в жизни живой природы играют диффузионные процессы, определяющие нормальный обмен веществ между организмом и средой, а также между различными частями самого организма. Питание и дыхание - типичные диффузионные процессы. В процессе дыхания происходит диффузия кислорода О₂ и углекислого газа СО₂ через стенку легочного пузырька. Для понимания этих процессов необходимо учитывать условия, обеспечивающие или затрудняющие диффузию. Так, дыхание - диффузия кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы - происходит тем быстрее, чем больше поверхность соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых размеры поверхности велики сравнительно с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, если покровы чрезвычайно тонки (земноводные); при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам - максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покрова.

Бесспорно, анализируя этот аспект жизнедеятельности всех живых существ, диффузия играет огромную роль.

Проведем ряд опытов, доказывающих практическую значимость диффузии.

«Диффузия в жидкостях»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», рис. 24, задание после параграфа № 2.)

Предметы и материалы

Проводим эксперимент

Капнем в воду немного йода и проследим за ее поведением.

Гипотеза

Действительно ли капля йода постепенно раствориться в воде, окрасив ее в соответствующий цвет.

Объясняем

Вода, как и йод, состоит из огромного количества мельчайших невидимых частиц размером в стомиллионную долю сантиметра, называемых молекулами. Все они непрерывно движутся, постоянно сталкиваясь между собой, как , например, школьники на перемене. Собранные вначале вместе молекулы йода из-за ударов молекул воды разлетаются в разные стороны, так что расстояние между ними увеличивается и пятно йода расплывается. Распространение одной жидкости в другой по указанной причине называется диффузией.

«Сцепление свинцовых цилиндров»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 11, «Взаимное притяжение и отталкивание молекул», рис. 26.)

Два свинцовых цилиндра
Стуг
Устройство для фиксации цилиндров

Перед началом опыта необходимо тщательно зачистить стугом свинцовые поверхности цилиндров. Устанавливаем цилиндры в устройство для фиксации, прижав их друг к другу зачищенными поверхностями прижимным винтом. Закручиваем прижимной винт. Подождав некоторое количество времени можно слабить прижимной винт, достать сцепленные цилиндры.

Действительно ли два свинцовых цилиндра будут соединены между собой.

Зачищение свинцовых цилиндров необходимо для того, чтобы максимально выровнить поверхности и очистить от окисления. Тем самым мы добиваемся наиболее плотного прилегания одной поверхности к другой. На данном этапе очень хорошо заметно проявление сил притяжения между молекулами, когда они находятся очень близко друг к другу. Но чем дольше цилиндры будут сцеплены и находясь под некоторым грузом, все отчетливее будет взаимное проникновение молекул одного цилиндра между молекулами другого - диффузия.

«Зависимость диффузии от температуры»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», задание после параграфа № 1.)

Стакан с холодной водой
Стакан с горячей водой
Кристаллики сахара

Нальем в один стакан воду комнатной температуры, а в другой горячую воду. Опустим в каждый из стаканов по одной чайной ложке сахара.

Действительно ли в стакане с горячей водой сахар раствориться быстрее.

Нам известно, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается. Чем быстрее будут двигаться молекулы воды, тем чаще они будут соударяться с молекулами сахара, и тем быстрее будет происходить процесс взаимного перемешивания одного вещества с другим. С увеличением температуры процесс взаимного проникновения молекул воды между молекулами сахара - диффузия - происходит гораздо быстрее.

На практике

приготовление пищи
термообработке металлов (сварке, пайке, резке, нанесении покрытий и т.п. Нанесении тонкого слоя металлов на поверхность металлических изделий для повышения химической стойкости, прочности, твёрдости деталей и приборов, или в защитно-декоративных целях (оцинкование, хромирование, никелирование). Для придания железным и стальным деталям твердости их поверхности подвергают диффузному насыщению углеродом (цементация). Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет не цвета ни запаха… При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при малой концентрации. (Меры безопасности). На сахарных заводах при извлечении сахара из свеклы. Для сварки материалов. Для дубления кожи и меха. Для крашения волокон ткани.) Для придания железным и стальным деталям твердости их поверхности подвергают диффузному насыщению углеродом (цементация). Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет не цвета ни запаха… При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при малой концентрации. (Меры безопасности). На сахарных заводах при извлечении сахара из свеклы. Для сварки материалов. Для дубления кожи и меха. Для крашения волокон ткани.
применение лекарственных средств (Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек. Применение аппарата «искусственная почка» становится в большей мере терапевтической процедурой, аппарат применяется как в клинике, так и в домашних условиях. С помощью аппарата проводилась подготовка реципиента к первой в мире успешной трансплантации почки, проведенной в 1965 г. академиком Б.В. Петровским.
Аппарат представляет собой систему из плоских каналов, разделенных тонкими целлофановыми мембранами, по которым встречными потоками медленно движутся кровь и диализат - солевой раствор, обогащенный газовой смесью CO₂ + О₂ Аппарат подключается к кровеносной системе больного с помощью катетеров, введенных в полую (вход крови в диализат) и локтевую (выход) вены. Диализ продолжается 4-6 ч. Этим достигается очистка крови от азотистых шлаков при недостаточной функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава крови.)
в садоводстве, при окулировке и прививке растений на срезах за счёт диффузии образуется каллюс (от лат. Сallus - мозоль) - раневая ткань в виде наплыва в местах повреждений и способствует их заживлению, обеспечивает срастание привоя с подвоем.
консервирование и маринование (соление овощей, варка варения, приготовление компотов и многие другие технологические процессы.)
использование косметических средств.

В природе

Всасывание — процесс поступления различных веществ из окружающей среды через клеточные мембраны в клетки, и через них — во внутреннюю среду организма.
Диффузия в дыхании. (Примером диффузии в природе может служить принципиально важный для жизни процесс - дыхание. Именно благодаря диффузии кислород из легких попадает в кровь, а из крови - в органы и ткани организма. Благодаря диффузии выдыхаемый нами углекислый газ не скапливается вокруг нас, а рассеивается в пространстве и смешивается с кислородом, поэтому мы можем длительное время спокойно дышать в закрытой комнате без ветра. Однако, время от времени все равно необходимо проветривать комнату и впускать свежий воздух, насыщенный кислородом, который опять же благодаря диффузии, быстро распространяется по всему объему комнаты.)
Поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли (на практике часто встречаешься с явлениями, которым по началу не предаёшь особое внимание, но потом по мере обучения в школе понимаешь и начинаешь объяснять происходящие такие обыденные в жизни явления, но играющие огромную роль в природе и жизни человека, как части природы. Так благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферы вблизи поверхности Земли, диффузия растворов солей в почве способствует нормальному питанию растений, диффузия происходящая в организме человека позволяет насыщать клетки нашего тела кислородом и питательными веществами.)

Интересные факты о диффузии

Около 27 тонн космической пыли падает на Землю каждый день. За год более 10 000 тонн пыли приземляется на Землю.

Из истории Лукреций Кар пишет: «Вот посмотри : всякий раз, когда солнечный свет проникает В наши жилища и мрак прорезает своими лучами, Множество тел в пустоте, ты увидишь, мелькая, Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света. Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах, В схватке бросаются вдруг по отрядам , не зная покоя…» В древнем мире конечно не могли наблюдать молекулы, но могли наблюдать диффузию! Лукреций Кар ее красиво описал в стихах.

Если очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота положить одна на другую и поставить на них некоторый груз, то через 4-5 лет они проникнут взаимно друг друга на 1 мм.

В сказках диффузия помогает героям. Отрывок из ассирийской сказки «Царь Зимаз»: «Был у царя умный советник Аяз, которого он очень уважал. Как обычно бывает в таких случаях, у Аяза были враги, которые его оклеветали перед царем, и тот, послушав их, заключил его в тюрьму. Когда к Аязу пришла жена, он велел ей поймать большого муравья, привязать к его лапке крепкую нитку длиной сорок метров, к свободному концу её привязать верёвку такой же длину и пустить муравья по наружной стене тюрьмы в указанном месте. Как сказал Аяз, так жена и сделала. Сам же Аяз накрошил на окно камеры сахара и муравей по запаху сахара добрался до камеры, где сидел Аяз».

А пословицы - это сплошная диффузия:

Ложка дёгтя в бочке мёда.
Нарезанный лук пахнет и жжёт глаза сильнее
Овощной лавке вывеска не нужна.
Волка нюх кормит

«Как муравьи находят путь домой?»

Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, они прижимаются брюшком к земле и передают ей свой запах. Некоторые муравьи не всегда бегут точно по намеченному пути, а сбоку от трассы, потому что запах достаточно силен. Потеряв след, они кругами вновь находят «дорогу» и спешат по ней. Муравьиные трассы бывают длиной несколько метров.

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.

А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.

Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.

На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Диффузия. Обмен веществ с помощью диффузии. Сущность диффузии.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике [2]. Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.

С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.

Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике.

Цель:

доказать, что диффузия зависит от температуры;

рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах;

убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по-разному.

Рассмотреть тепловую диффузию веществ.

Задачи исследования:

Изучить научную литературу по теме «Диффузия».

Доказать зависимость скорости диффузии от рода вещества, температуры.

Изучить влияние явления диффузии на окружающую среду и человека.

Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по диффузии.

Методы исследования:

Анализ литературы и материалов интернета.

Проведение опытов по изучению зависимости диффузии от рода вещества и температуры.

Предмет исследования: явление диффузии, зависимость протекания диффузии от различных факторов, проявление диффузии в природе, технике, быту.

Гипотеза: диффузия имеет большое значение для человека и природы.

1.Теоретическая часть

1.1.Что такое диффузия

Диффузия - это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного) движения молекул.

Еще одно определение: диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией [7].

Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).

Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.

Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.

1.2. Роль диффузии в природе

С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния [1]. Если посмотреть на дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей, во многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда-то исчезает. Дым растворяется в воздухе за счет диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.

Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации [2]. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка (рис 1).

Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы - тропосфера - состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды [3]. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним - кислород, выше - азот, инертные газы (рис 2).

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака - тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…» (рис 3)

На принципе диффузии основано перемешивание пресной волы с солёной при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Диффузия играет большую роль в жизни растений и животных. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости и узнают дорогу домой (рис 4)

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчёлы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьёт воду, получает из почвы различные микродобавки [2].

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи (рис 5).

Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума (рис 6).

Уже было отмечено, что есть много общего в значении явления диффузии для жизнедеятельности растений и животных. Прежде всего, следует отметить роль диффузионного обмена через поверхность растений в выполнении функции дыхания. Для деревьев, например, наблюдается особенно большое развитие поверхности(листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию дыхания. К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, - везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия» (рис 7).

Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови - в ткани.

В научной литературе я изучила процесс односторонней диффузии - осмос, т.е. диффузия веществ через полупроницаемые мембраны. Процесс осмоса отличается от свободной диффузии тем, что на границе двух соприкасающихся жидкостей расположено препятствие в виде перегородки (мембраны), которая проницаема только для растворителя и вовсе не проницаема для молекул растворенного вещества (рис 8).

В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому вода проникает в зерно и дает жизнь растению.

1.3. Роль диффузии в быту и технике

Диффузия используется во многих технологических процессах: засолка, получение сахара (стружка сахарной свёклы промывается водой, молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор), варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей, цементация, сварка и пайка металлов, в том числе диффузионная сварка в вакууме (свариваются металлы, которые другими методами соединить невозможно, - сталь с чугуном, серебро с нержавеющей сталью и т.д.) и диффузионная металлизация изделий(поверхностное насыщение стальных изделий алюминием, хромом, кремнием), азотирование - насыщение поверхности стали азотом (сталь становится твёрдой, износоустойчивой), цементация - насыщение стальных изделий углеродом, цианирование -насыщение поверхности стали углеродом и азотом [6].

Распространение запахов в воздухе - наиболее часто встречающийся пример диффузии в газах. Почему же запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время? Дело в том, что во время движения в определенном направлении молекулы пахучего вещества сталкиваются с молекулами воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения.

2. Практическая часть

Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас! Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Именно для этого я решила провести ряд экспериментов, в ходе которых попыталась выяснить, действительно ли теория диффузии справедлива, находит ли она свое подтверждение на практике. Любую теорию можно считать достоверной лишь в том случае, если она многократно подтверждается экспериментально.

Опыт №1 Наблюдение явления диффузии в жидкостях

Цель: изучить диффузию в жидкости. Пронаблюдать растворение кусочков перманганата калия в воде, при неизменной температуре (при t = 20°С)

Приборы и материалы:стакан с водой, термометр, перманганат калия.

Описание опыта и полученные результаты: Я взяла кусочек перманганата калия и два стакана с чистой водой при температуре 20 °С. Положила в стаканы кусочки перманганата калия и начала наблюдать за происходящим. Через 1 минуту вода в стаканах начинает окрашиваться.

Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ марганцовки.

В первом стакане я не перемешивала раствор, а во втором перемешала. Перемешивая воду (взбалтывая), я убедилась, что процесс диффузии происходит гораздо быстрее (2 минуты)

Цвет воды в первом стакане становится более интенсивным по истечении времени. Молекулы воды проникают между молекулами перманганата калия, нарушая силы притяжения. Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества. Процесс растворения марганцовки закончился. Время прохождения эксперимента 3 часа 15 минут. Вода полностью окрасилась в малиновый цвет (рис 9-12).

Можно сделать вывод, что явление диффузии в жидкости - это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.

Я захотела выяснить, от чего еще зависит скорость протекания диффузии.

Опыт №2 Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры

Цель: изучить, как температура воды влияет на скорость протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры - 1 шт, секундомер - 1 шт, стаканы - 4 шт, чай, перманганат калия.

Описание опыта и полученные результаты: (опыт приготовления чая при начальной температуре 20°С и при температуре 100° С в двух стаканах).

Взяли два стакана с водой при t=20 °С и t=100 °С. На рисунках показано протекание эксперимента через определенное время от начала: в начале эксперимента - рис.1, через 30 с. - рис.2, через 1 мин. - рис.3, через 2 мин. - рис.4, через 5 мин. - рис 5, через 15 мин. - рис.6. Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии (рис 13-17).

Те же результаты я получила, когда вместо чая взяла 2 стакана с водой. В одном из них была вода комнатной температуры, во втором кипяток.

Следовательно скорость диффузии зависит от температуры - чем выше температура, тем интенсивнее происходит диффузия.

Опыт № 3 Наблюдение диффузии с применением химических реактивов [3]

Цель: Наблюдение явления диффузии на расстоянии.

Оборудование: вата, нашатырный спирт, фенолфталеин, пробирка.

Описание опыта: Нальём в пробирку нашатырный спирт. Смочим кусочек ваты фенолфталеином и положим сверху в пробирку. Через некоторое время наблюдаем окрашивание ватки (рис 24-26).

Нашатырный спирт испаряется; молекулы нашатырного спирта проникли к ватке, смоченной фенолфталеином, и та окрасилась, хотя ватка в соприкосновение со спиртом не приводилась. Молекулы спирта перемешались с молекулами воздуха и достигли ватки. Данный опыт демонстрирует явление диффузии на расстоянии.

Опыт №4. Наблюдение явления диффузии в газах

Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.

Приборы и материалы: секундомер, духи, термометр

Описание опыта и полученные результаты:я исследовала время распространения запаха духов в кабинете V=120м 3 при температуре t = +20 0 . Засекалось время от начала распространения запаха в комнате, до получения явной чувствительности у людей, стоящих на расстоянии 10 м. от исследуемого объекта (духи). (рис 27-29)

Опыт №5 Растворения кусочков гуаши в воде, при неизменной температуре

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.

Приборы и материалы: три стакана, вода, гуашь трех цветов.

Описание опыта и полученные результаты:

Взяли три стакана, набрали воды t =25 0 С, бросили одинаковые кусочки гуаши в стаканы.

Начали наблюдать за растворением гуаши.

Фотографии сделаны через 1 минуту, 5 минут, 10 минут, 20 минут, растворение закончилось через 4 часа 19 минут (рис 30-34)

Опыт №6 Наблюдение явления диффузии в твердых телах

Приборы и материалы: яблоко, картофель, морковь, раствор «зеленки», пипетка.

Разрезаем яблоко, морковь, картофель «капаем зеленкой» на одну из половинок.

Наблюдаем, как пятно расплывается по поверхности

Разрезаем по месту соприкосновения с зеленкой, чтобы посмотреть насколько глубоко она проникла внутрь (рис 35-37)

Как провести опыт, чтобы подтвердить гипотезу о возможности протекания диффузии в твердых телах? Возможно ли перемешивание веществ в таком агрегатном состоянии? Скорей всего, ответ «Да». Но наблюдать диффузию в твердых телах (очень вязких) удобно с использованием густых гелей. Таким является плотный раствор желатина. Его можно приготовить следующим образом: 4-5 г сухого пищевого желатина растворить в холодной воде. Желатин сначала должен несколько часов набухать, а затем его полностью растворяют при помешивании в воде объемом 100 мл, опустив в сосуд с горячей водой. После охлаждения получается 4-5 % раствор желатина.

Опыт № 7 Наблюдение диффузии с применением густых гелей [3]

Цель: Наблюдение явления диффузии в твердых телах (с применением густого раствора желатина).

Оборудование: 4%-ный раствор желатина, пробирка, небольшой кристаллик марганцовки, пинцет.

Описание и результат опыта:Раствор желатина поместить в пробирку, в центр пробирки быстро, одним движением ввести пинцетом кристаллик марганцовки.

Кристаллик марганцовки в начале опыта

Расположение кристаллика в пузырьке с раствором желатина через 1,5 часа

В твердых телах диффузия происходит, но значительно медленнее чем, в жидкостях и газах.

Опыт № 8 Разница температур в жидкости - тепловая диффузия

Цель: Наблюдение явления тепловой диффузии.

Оборудование: 4 одинаковых стеклянных сосуда, 2 цвета краски, горячая и холодная вода, 2 пластиковые карточки.

Описание и результат опыта:

1. Добавляем немного красной краски в сосуд 1 и 2, синюю краску в сосуды 3 и 4.

2. Наливаем горячую воду в сосуды 1 и 2.

3. Наливаем холодную воду в сосуды 3 и 4.

4. Сосуд 1 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 4.

5. Сосуд 3 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 2.

6. Удаляем обе карты.

Этот опыт демонстрирует эффект тепловой диффузии. В первом случае горячая вода оказывается поверх холодной и диффузия не происходит до тех пор, пока температуры не сравняются. А во втором случае наоборот, внизу горячая, а вверху холодная. И во втором случае молекулы горячей вода начинают стремиться вверх, а молекулы холодной - вниз (рис 41-44).

Заключение

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных.

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что продолжительность диффузии зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.

Я изучила явление диффузии на примере различных веществ.

Скорость протекания зависит от рода вещества: в газах она протекает быстрее, чем в жидкостях; в твердых телах диффузия протекает значительно медленнее.Это утверждение можно объяснить так: молекулы газов свободны, находятся на расстояниях много больше размеров молекул, двигаются с большими скоростями. Молекулы жидкостей расположены также беспорядочно, как и в газах, но значительно плотнее. Каждая молекула, находясь в окружении соседних молекул, медленно перемещается внутри жидкости. Молекулы твердых веществ совершают колебания около положения равновесия.

Существует тепловая диффузия.

Список используемой литературы

Генденштейн, Л.Э. Физика. 7 класс. Часть 1 / Л.Э. Генденштейн, А.Б, Кайдалов. - М: Мнемозина, 2009.-255 с.;

Кириллова, И.Г. Книга для чтения по физике для учащихся 7 классов средней школы / И.Г. Кириллова.- М.,1986.-207 с.;

Ольгин, О. Опыты без взрывов / О. Ольгин.- М.: Химик, 1986.-192 с.;

Перышкин, А.В. Учебник по физике 7 класс / А.В. Перышкин.- М., 2010.-189 с.;

Разумовский, В.Г. Творческие задачи по физике / В.Г. Разумовский.- М.,1966.-159 с.;

Рыженков, А.П. Физика. Человек. Окружающая среда: Приложение к учебнику физики для 7-го класса общеобразовательных учреждений / А.П. Рыженков.- М.,1996.- 120 с.;

Чуянов, В.А. Энциклопедический словарь юного физика / В.А. Чуянов.- М., 1984.- 352 с.;

Шабловский, В. Занимательная физика / В. Шабловский. С.-П., Тригон, 1997.-416 с.

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Вы когда-нибудь задавались вопросом: благодаря чему мы ощущаем приятные запахи, почему растворяется сахар в чае, каким образом происходит загрязнение воздуха и атмосферы? На все эти вопросы нам поможет ответить понятие "Диффузия".

Диффузия - это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Основная причина диффузии: постоянное движение молекул. Возникает диффузия из-за стремления к равновесию.

Диффузия происходит в трех средах: в газах, в жидкостях, в твердых телах.
Диффузия в газах происходит быстрее всего, она занимает всего несколько секунд или минут. Диффузия в жидкостях может занимать от нескольких минут до нескольких часов. Диффузия в твердых телах протекает с течением нескольких лет. Но эти процессы можно ускорять с помощью повышения температуры или при внешнем воздействии.

Явление диффузии есть в каждой аспекте нашей жизни: питание, дыхание животных и растений. Также явление диффузии несет в себе и разрушающий для аспект: загрязнение природы.

Диффузия

Почему запахи летом распространяются быстро, а зимой — медленно? Почему вода способна изменить цвет? Можно ли соединить два твердых тела в одно? Мы получим ответы на все эти вопросы, изучив понятие «диффузия».

· Обновлено 12 июля 2022

Начнем с определения. Что такое диффузия?

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Как и многие другие физические термины, это слово зародилось в языке древних римлян — латыни. Diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие.

«Но как это возможно? В каких веществах и телах происходит диффузия?» — спросите вы. Не беспокойтесь, сейчас во всем разберемся!

Строение вещества и агрегатные состояния

Наверняка вы слышали, что все вещества состоят из молекул. Золотой слиток, кактус на подоконнике и даже ваш любимый бургер 🍔 состоят из мельчайших частичек, которые являются носителями всех физических и химических свойств этого предмета или вещества.

В зависимости от агрегатного состояния, в газах, жидкостях и твердых телах меняются две вещи. Во-первых, расстояние между молекулами. Давайте вспомним (или догадаемся), каким должно быть расстояние между молекулами, чтобы предмет характеризовали слова «твердый», «крепкий», «держащий форму»? Правильно, расстояние должно быть очень маленьким, чтобы молекулы выстраивались в стройные рядочки и, держась друг за друга, не позволяли телу растечься и потерять форму.

А если нам все же нужна эта текучесть? Тогда расстояние между молекулами нужно немного увеличить, но так, чтобы силы взаимодействия еще держали молекулы рядом друг с другом и они не разлетались по всему объему сосуда. Представьте, как тяжело было бы пить сок, если бы его пришлось ловить по всей комнате!

С газами происходит именно такая история. Газы (кислород, водород, хлор и другие) также состоят из молекул, но расстояние между ними настолько большое, что они обладают свойствами, отличными от свойств жидкостей и твердых тел: газы занимают весь предоставленный объем, легко сжимаются, не имеют своей формы.

Кивните, если все понятно. Кивнули? Прекрасно, идем дальше.

В зависимости от того, в каком состоянии находится вещество, будет меняться и скорость движения молекул (скорость зависит также от температуры, но об этом позже). В твердых телах молекулы выстраиваются в так называемые кристаллические решетки, об этом мы говорили выше. Эта жесткая структура не позволяет молекулам летать где им вздумается и сталкиваться со своими братьями и сестрами. Все, что остается бедным молекулам, — вибрировать на своих местах и ждать тех времен, когда можно будет сменить агрегатное состояние на какое-нибудь другое.

Когда температура вещества поднимется и достигнет критического значения, тело начнет плавиться — становиться жидкостью. Молекулы при этом хоть и не обретают полную свободу, но начинают двигаться активнее. Они способны перепрыгивать со своих мест, сталкиваться с другими молекулами — вести активный образ жизни. И чем выше температура жидкости, тем быстрее двигаются молекулы.

А при переходе в газообразное состояние наступает полная свобода! Молекулы разрывают все связи друг с другом, двигаются очень быстро и хаотично, словно соревнуются по скорости полета, красоте кувырков и количеству столкновений.

В разрезе этой темы стоит упомянуть и броуновское движение. Похоже ли оно на диффузию?

Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Как мы видим, броуновское движение отвечает за хаотичное перемещение микрочастичек в жидкостях или газах, в то время как благодаря явлению диффузии вещества проникают друг в друга.

«Это все, конечно, увлекательно, — можете возразить вы, — но когда возникает диффузия?»

Она происходит прямо сейчас! 😱

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Диффузия газов

Давайте проведем небольшой эксперимент — вам он точно понравится. Посадим родителей в зале и попросим проследить за окружающей обстановкой, понять, что изменилось. А сами уйдем в соседнюю комнату и начнем чистить апельсин. Как скоро родители почувствуют аромат цитрусов? Вероятно, очень скоро. Скорее, чем вам удастся съесть апельсин в одиночку.

А если вы забыли вынести мусор, хотя обещали? Неприятный запах выдаст вас достаточно скоро.

Каким образом происходит распространение запахов по воздуху? Правильный ответ — диффузия! Расстояния между молекулами в газах (а воздух — это газ) достаточно большие, поэтому между ними легко проскакивают другие частицы. Молекулы вещества маневрируют между частицами воздуха и перемешиваются в одну большую компанию.

Представьте футбольное поле с двумя командами. В начале игры каждая стоит на своей части, но как только звучит свисток арбитра, футболисты начинают матч, каждую секунду занимая новое положение. В конечном итоге мы увидим, как команды перемешались между собой. То же самое происходит и в процессе диффузии.

Интересно, что чем выше температура, тем быстрее этот процесс протекает. Именно поэтому запах свежеиспеченного хлеба можно почувствовать за несколько кварталов от булочной, а запах мороженого — нет.

Диффузия жидкостей

Если вы немного устали, можно сделать короткий перерыв и выпить горячего чая. А может, кофе или какао? Какой напиток вы предпочитаете? С молоком или без?

Важно ли это в свете изучаемой нами темы? Очень, ведь даже в таком обычном деле, как приготовление чая или кофе, можно наблюдать диффузию.

Записываем рецепт: берем стакан горячей воды, наливаем туда заварки, а потом молока. Добавляем сахар по вкусу. Но не спешите перемешивать! Обратите внимание, как жидкости сами перемешиваются между собой — и в итоге мы получаем ароматный бодрящий напиток.

Теперь вы можете объяснить это явление с помощью физики. Попробуем?

Дело в том, что молекулы заварки проникают в промежутки между молекулами воды и перемешиваются друг с другом до тех пор, пока мы не получим однородную смесь. Тот же процесс происходит и при добавлении молока, сиропов и других ингредиентов подобно тому, как этот процесс происходит в газах.

Единственное отличие — скорость протекания диффузии. В жидкостях расстояние между молекулами меньше, а значит, другим молекулам сложнее протиснуться — это занимает больше времени.

Диффузия жидкостей также зависит и от температуры. Именно поэтому есть смысл заваривать чай в горячей воде, а не в холодной или солить горячий суп.

Диффузия твердых тел

А как вы думаете, возможна ли диффузия твердых тел? Как быстро она будет протекать?

Да, диффузия возможна, и да, протекать она будет очень медленно. Чтобы молекулы одного твердого вещества проникли в другое всего на несколько миллиметров, понадобятся не дни и не месяцы, а годы! И причиной этому является очень маленькое расстояние между молекулами и их расположение в узлах кристаллической решетки.

Как ускорить этот процесс? Правильно, на помощь снова приходит температура. В огромных доменных печах слить несколько металлов в один можно достаточно быстро — для этого потребуется несколько часов.

Самые распространенные примеры диффузии твердых тел зачастую связаны именно с металлами. В обычной жизни мы используем большое количество предметов, в состав которых входят одновременно алюминий и железо, золото и серебро. Чтобы изготовить самокат без использования технологии сварки и наплавления, пришлось бы ждать десятки лет — и катались бы вы на нем уже со своими внуками. А развитие космической отрасли и компьютерных технологий с их чипами, микросхемами и платами вообще было бы невозможным.

Диффузия в окружающем мире

Затронем еще один вопрос: происходит ли диффузия в окружающем мире?

Думаем, вы уже знаете ответ: да, конечно! Можно сказать, что этот процесс происходит постоянно и является причиной многих явлений, о которых мы даже не задумывались. Давайте рассмотрим некоторые интересные примеры:

кровообращение: благодаря диффузии молекулы кислорода проникают в кровь, которая доставляет их ко всем органам;

питание: витамины и минералы, которые содержатся в пище, проникают в клетки организма;

растворение веществ в жидкости;

неоднородность воздуха (воздух — сложное вещество, которое состоит из кислорода, углекислого газа, азота и других газов);

К сожалению, диффузия отвечает не только за положительные явления. Она также является причиной загрязнения нашей планеты: воздуха, воды, почвы. Молекулы канцерогенных, ядовитых веществ попадают в атмосферу и гидросферу, вызывая необратимые изменения.

И последнее: для решения задач про диффузию формула не нужна! Достаточно материала, который мы обсудили в этой статье. Приятная новость, правда?

На уроках физики в онлайн-школе Skysmart вы познакомитесь и с другими интересными явлениями, которые не раз заставят вас удивиться, а может, даже вдохновят разобраться в устройстве нашего мира еще лучше. Ждем вас на наших уроках!

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Само слово «диффузия» латинского происхождения - «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия - это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

Причины

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO₄) и растворить в воде (H₂O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO₄-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ - OH-.

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Формула

Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

В этом уравнении J - плотность материала, D - коэффициент диффузии, а ac/dx - градиент концентрации двух веществ.

Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

В твердых телах

В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

В жидкостях

Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

В газах

В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

Примеры в окружающем мире

поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
происходит питание растений,
осуществляется дыхание человека и животных.

Значимый биологический процесс - фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха).
Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии.
При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют.

Таких примером можно приводить еще много.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

Читайте также: