ВПР
Какое значение имеет диффузия для процессов. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия. Актуализация опорных знаний

Какое значение имеет диффузия для процессов. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия. Актуализация опорных знаний

Беседина Дарья

Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас. Светят на ночном небе далёкие звёзды, горит в окне свеча, ветер разносит аромат цветущей черёмухи, тебя провожает взглядом стареющая бабушка…. Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Ведь многие природные явления связаны с процессами диффузии, о которой мы говорили недавно в школе. Но говорили так мало! В этой работе будет рассмотрено конкретное физическое явление - диффузия. Одно из самых значимых явлений в физике, имеющей так много в себе того, что мы встречаем повседневно и используем во благо себе. Итак, речь пойдёт о диффузии.

Скачать:

Предварительный просмотр:

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОТДЕЛ ПО РАБОТЕ С АБИТУРИЕНТАМИ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ МОЛОДЕЖИ

СЕКЦИЯ «УНИВЕРСИТЕТСКИЕ ШКОЛЫ»

XXXVIII НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ

Подсекция ФИЗИКА

УДИВИТЕЛЬНОЕ ЯВЛЕНИЕ - ДИФФУЗИЯ!

Выполнила:

Беседина Дарья

7 класс МОАУ «Гимназия №3» г. Оренбурга

Школьный учитель:

Филатова Надежда Николаевна

Научный руководитель:

Филатова Надежда Николаевна

учитель физики высшей квалификационной категории

Оренбург 2016

Введение………………………………………………………………………..…....3

Глава I. Теоретические положения о явлении диффузия ……………………5

1.1 Механизм процесса диффузии…………………………………………….….5

1.2 Диффузия в жидкостях……………………………………………………..….5

1.3 Диффузия в газах ……………………………………………………………....6

1.4 Диффузия в твердых телах…………………………………………………...6

1.5 От чего зависит скорость протекания диффузии……………………….…7

1.6 Вредное проявление диффузии……………………………………………….7

1.7 Осмос…………………………………………………………………………..…8

1.8 Диффузия в жизни человека……………………………………………….…8

1.9 Это интересно!.....................................................................................................9

Глава II. Практические наблюдения за диффузией …………………………11

Социологический опрос…………………………………………………..12

Заключение………………………………………………………………………...14

Список литературы…………………………………………………………….…15

Приложения

Введение

«Самое могущественное в мире то, что

Не видно, не слышно и не осязаемо»

Лао-Тсе

Строение материи - одна из главных проблем науки, а основой современной физики является атомно-молекулярное учение. Уже в глубокой древности, за 2500 лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. В настоящее время доказательства положений молекулярно-кинетической теории настолько многочисленны и убедительны, что существование молекул признано как установленный факт. Из большого числа научных положений и опытных фактов, относящихся к молекулярно-кинетической теории, наибольший интерес у меня вызвало явление диффузии. Диффузия это удивительное явление, с которым мы сталкиваемся на протяжении всей нашей жизни. Роль, которую играет диффузия в окружающем нас мире трудно переоценить. Её проявления есть и в природе, и в технике, и в быту. Каждое утро, выпивая кружку чая, мы не догадываемся, что наблюдаем явление диффузии. Ведь именно благодаря этому явлению мы дышим, ощущаем приятные запахи, едим вкусную пищу, источающую чудные ароматы . К сожалению, диффузионные процессы могут оказывать не только положительное, но и негативное влияние на жизнедеятельность растений, животных и человека.
Я заинтересовалась этим явлением потому, что это один из важных процессов в жизнеобеспечении людей и живой природы Земли.

Проблема исследования : Чем удивительно явление диффузии?

Актуальность данного исследования заключается в том, что диффузия одно из самых значимых явлений в физике, имеющее так много в себе того, что мы встречаем повседневно и используем в своё благо. Диффузия играет существенно - важную роль в природе и жизни человека. Изучение влияния диффузии на жизнедеятельность растений, животных и человека расширит спектр наших знаний о живой природе, демонстрирует тесную связь физики, биологии, экологии и медицины. Исследование диффузии помогает лучше понять явления, с которыми мы сталкиваемся каждый день.

Объект исследования - явление диффузии.

Предмет исследования - явление диффузии, зависимость протекания диффузии от различных факторов, проявление диффузии в природе, технике, быту. Влияние явления диффузии на процессы, протекающие в природе, и связанные с жизнедеятельностью человека.

Гипотеза исследования : молекулы движутся.

Цели:

Расширить знания о диффузии
Выяснить: от чего зависит диффузия
Рассмотреть роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека, доказать общую значимость этого явления.
Подтвердить теоретические факты экспериментами
Рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах
Обобщить приобретенные знания и сделать выводы.

Задачи:

Изучить материал в литературе, Интернет-сети о роли диффузии в природе и жизнедеятельности человека.
Проанализировать полученную информацию о явлении диффузии, а также определить степень значимости этого явления для растений, животных, человека.
Выяснить, где в живой и неживой природе встречаются явления диффузии, какое значение имеют, где применяются человеком.
Провести, описать и спроектировать некоторые опыты, характеризующие закономерности протекания диффузии.

Основные методы работы :

Поисковый;
Метод обобщенного анализа (сравнение имеющихся знаний с полученными данными);
Экспериментально – практический.

Методы исследования :

Изучение, анализ и синтез литературных и других информационных источников;
Наблюдение;
Анализ информации и результатов;
Сравнение;
Проведение экспериментов;
Социологический опрос.

Глава I. Теоретические положения о явлении диффузия.

1.1 Механизм процесса диффузии

Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, вследствие хаотического движения и столкновения друг с другом, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

Явление диффузии можно объяснить лишь в том случае, если считать, что:

Все вещества состоят из частиц (молекул, атомов, ионов);

Между частицами имеются промежутки;

Частицы вещества находятся в постоянном, хаотическом движении.

Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред. Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящиеся около границы, обмениваются местами. Граница между веществами расплывается.

Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит, в конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным.

Это явление имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах.

1.2 Диффузия в жидкостях

Если бросить несколько кристалликов перманганата калия в воду, мы будем наблюдать, что в течение нескольких часов будет происходить окрашивание воды в розовый цвет.

Вывод: следовательно, скорость диффузии в жидкости намного меньше чем в газах.

Пояснение: частицы в жидкости «упакованы» так, что расстояние между соседними частицами меньше их размеров. Сами частицы могут перемещаться по всему занимаемому жидкостью объему сосуда. Перемешивание жидкостей происходит медленно (приложение 1).

1.3 Диффузия в газах

Почему возможно распространение запахов в пространстве? (Например, запаха духов)

Распространение запахов возможно благодаря движению молекул веществ. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы духов много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.

Причина диффузии - беспорядочное движение молекул.

Пояснение: частицы газа далеко удалены друг от друга. Между ними существуют большие промежутки. Сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого вещества. Поэтому диффузия в газах протекает быстро.

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.

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

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…»

1.4 Диффузия в твердых телах.

Твердые тела могут иметь различное строение и состоять из молекул, атомов или ионов . В любом случае, вне зависимости от того, из каких микрочастиц состоит тело, взаимодействие этих частиц друг с другом очень сильно. Не смотря на то, что они, эти частицы, все же движутся, но эти движения очень незначительны.

Промежутки между частицами маленькие, поэтому другим веществам трудно проникнуть между ними. Процесс диффузии в твердых телах проходит очень медленно и незаметно для невооруженного глаза (приложение 2)

1.5 От чего зависит скорость протекания диффузии

Скорость диффузии зависит от температуры. При повышении температуры процесс взаимного проникновения веществ ускоряется. Это связано с тем, что при нагревании возрастает общая скорость движения молекул . В теле с более высокой температурой молекулы движутся быстрее, а значит и быстрее протекает диффузия. Скорость диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии находятся соприкасающиеся тела – в твердом, жидком или газообразном.

1.6 Вредное проявление диффузии.

Диффузия помимо пользы дает человеку и огромный вред. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.

Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.

Курильщики ежегодно "выкуривают”, т.е. выбрасывают в атмосферу 720 тонн синильной кислоты, 384000 тонн аммиака, 108000 тонн никотина, 600000 тонн дегтя и более 550000 тонн угарного газа. Общая масса окурков на Земле за год составляет 2520000 тонн. Табачный дым, окутывая Землю, задерживает ультрафиолетовые лучи. В среднем 25% всех видов веществ, содержащихся в табаке, сгорает и разрушается в процессе курения; 50% уходит в окружающую среду; 20% попадает в организм курильщика и только 5% остается в фильтре сигареты (приложение 3).

Температура табачного дыма на 35-40 градусов выше температуры воздуха, поступающего в рот при курении, что вызывает во рту довольно резкий перепад температур. Во время курения одной сигареты происходит 15-20 таких перепадов, что плохо отражается на состоянии зубной эмали: она трескается. Вот поэтому зубы курильщиков разрушаются раньше, чем зубы некурящих. В газовой фракции табачного дыма находится газообразный дёготь, который при охлаждении переходит в жидкое состояние, т.е. конденсируется. При этом он оседает на пальцах рук, зубах, стенках воздухоносных путей, лёгких, попадает в желудок. При выкуривании одной пачки сигарет курильщик производит около 1 грамма жидкого дёгтя.

1.7 Осмос

Когда мы хотим утолить жажду, то пьем воду. Но, каким же образом выпитая вода попадает в клетки нашего тела? А происходит это благодаря осмосу.

Если два раствора с разными концентрациями привести в соприкосновение, то эти растворы в результате диффузии перемешаются. А если два таких раствора разделены непроницаемой перегородкой, то вообще ничего не получится.

Но вот если два таких раствора разделены перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но задерживающей молекулы растворенного вещества, то молекулы растворителя будут переходить в более концентрированный раствор, все более разбавляя его. Возникает осмос - направленное перемещение молекул растворителя через полупроницаемую перегородку, разделяющую два раствора различной концентрации. Диффузия растворителя продолжается до установления равновесия в системе в результате выравнивания концентраций по обе стороны перегородки или в результате возникновения осмотического давления.

Осмос от греческого – толчок, давление. Впервые осмос наблюдал французский химик Нолле в 1748 г.

Оболочки всех без исключения живых клеток как раз и обладают замечательной способностью пропускать молекулы воды и задерживать молекулы растворенных в ней веществ - именно благодаря этому клетка и может утолять жажду.

Я попробовала сделать любопытный опыт. Взяла лимон и отрезала несколько тонких долек. Сока при этом практически не получилось. Я посыпала лимонные дольки сахаром - и спустя некоторое время из них потек сок. Тут начал действовать осмос: сок потек из лимона наружу, как бы стремясь возможно сильнее разбавить образовавшийся на его поверхности концентрированный раствор сахара.

А если нашинкованную капусту перетереть с солью, то её объём резко уменьшится, а сама капуста станет влажной. Это тоже осмос, только в данном случае снаружи клетки находится соль.

Практическое применение осмос находит в процессе очистки воды.

1.8 Диффузия в жизни человека

Изучая явление диффузии, я пришла к выводу, что именно благодаря этому явлению человек живет. Ведь, как известно, воздух, которым мы дышим, состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Находится он в тропосфере - в нижнем слое атмосферы. Если бы не было диффузионных процессов, то наша атмосфера просто расслоилась бы под действием силы тяжести, которая действует на все тела, находящиеся на поверхности Земли или вблизи нее, в том числе и на молекулы воздуха. Внизу расположился бы боле тяжелый слой углекислого газа, над ним – кислород, выше - азот и инертные газы. А ведь для нормальной жизнедеятельности нам необходим именно кислород, а не углекислый газ.

Диффузия происходит и в самом организме человека. Дыхание и пищеварение человека основано на диффузии. Если говорить о дыхании, то в каждый момент времени в кровеносных сосудах, оплетающих альвеолы (ячейки в виде пузырьков, расположенные в легких), находится примерно 70 мл крови, из которой в альвеолы диффундирует углекислый газ, а в обратном направлении - кислород. Как видно из приведенных примеров диффузионные процессы играют очень важную роль в жизни людей.

1.9 Это интересно!

У североамериканского серого волка обоняние в 1000 раз острее, чем у человека. Он чует лосиху с детёнышем на расстоянии более чем 2,5 км. В носу волка примерно в 50 раз больше обонятельных рецепторов, чем у человека. Слизистая оболочка собрана в складки, так что в малом пространстве сосредоточена большая поверхность. Если расправить слизистую,она окажется площадью с большую открытку. Нос устроен так,чтобы наполненный запахами вдыхаемый воздух соприкасался с большой поверхностью слизистой. У здорового животного нос внутри влажный, что позволяет лучше улавливать пахучие частицы вещества. Когда волк проходит с подветренной стороны от невидимой жертвы, он чует доносимый воздухом запах и начинает двигаться к его источнику. Приблизившись, хищник полагается на своё зрение, быстроту действий и, естественно, силу. Новозеландский киви величиной с курицу - очень занятная птица. Он не умеет летать,а его перья больше похожи на шерсть. Пищу находит по запаху, как насекомоядные млекопитающие, и может учуять червяка под землёй на глубине 3 см.По ночам киви роется в лесной подстилке и почве своим длинным тонким клювом.

Ноздри на конце клюва ведут к обонятельным рецепторам в его основании, а нервы от рецепторов - к обонятельным долям головного мозга, которые у киви крупнее, чем у всех других птиц. Такая система позволяет ему на расстоянии чуять червей, слизней и личинок жуков. Схватив добычу кончиком клюва, птица несколько раз дёргает головой, чтобы отправить её в глотку.

Благодаря диффузии газов происходит необходимый для жизни газообмен-процесс дыхания, приводящий к выделению химической энергии вследствие окисления органических веществ. У небольших растений диффузия идёт через всё поверхность, у крупных цветковых растений - через устьица на листьях и зелёных стеблях (у травянистых форм), а также через чечевички и трещины в коре одревесневших стеблей. Внутри растений кислород распространяется диффузным переносом в воздухоносных межклетниках, достигая клеток и растворяясь во влаге, покрывающей клеточный стенки. Отсюда он диффундирует уже внутрь клеток. Углекислый газ движется по растению тем же путём, но в обратном направлении. В клетках, содержащих хлорофилл, одновременно протекает и дыхание, и фотосинтез: выделяемый хлоропластами кислород может сразу же потребляться митохондриями той же клетки, а продукт дыхательного метаболизма митохондрий – углекислый газ – может использоваться для фотосинтеза хлоропластами. Самый распространённый способ общения насекомых – с помощью обонятельных химических средств. Есть привлекающие ароматы (аттрактанты), а есть отталкивающие (репелленты), воспринимаемы обонятельными дырочками (порами) на усиках. К аттрактантам относятся феромоны и гормоны. «Матка здесь», - сообщает один феромонов в пчелином гнезде. «Из этого запасного самца вырастить производителя, а из этого – солдата», - звучит приказ через феромон в гнезде термитов. А репелленты? «Нас много, корма на всех не хватит, подождите расти», следует пахучий сигнал от первого комариного выплода. И личинки комаров следующего выплода смиренно ждут приказа на превращение в комаров.

Невозможно представить свою жизнь и быт без ароматических запахов. Чтобы получить всего 1 кг розового масла, необходимо переработать более полутора тонн лепестков розы. Ладан, ароматическую смолу для церковных нужд, получают из сока ладанного дерева и босвеллии священной, растущих в Восточной Африке. Мирра, смола для ароматических курений, получается из смолы деревьев рода коммифора, растущих в Эфиопии и Южной Аравии.

В 1638 г. посол Василий Старков привёз в подарок царю Михаилу Фёдоровичу от монгольского Алтын- хана 4 пуда сушёных листьев. Это растение очень понравилось москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. А как оно называется и на каком явлении основано его употребление? (Ответ. Это чай. Явление - диффузия.)

За последние десятилетия люди в корне изменили свой взгляд на леса Земли. И поняли, что лес- это не просто будущие дрова, доски, брёвна, а одно из главных звеньев природной цепи. Леса- лёгкие планеты, помогающие дышать всему живому. Один гектар леса за год очищает 18 млн м воздуха от углекислого газа, поглощает 64 т других газов и пыли, поставляя взамен миллионы кубометров кислорода.

Глава II. Практические наблюдения за диффузией.

Опыт №1: Моделирование проникновения молекул одного вещества между молекулами другого (Смешивание известных объёмов круп с зёрнами разного размера является хорошей моделью проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, обычно это демонстрируется при смешивании воды и этилового спирта).

Я взяла два стеклянных стакана вместимостью 200 мл и один стакан вместимостью 500 мл. Отмерила стакан риса и стакан пшена. Затем, ссыпала всё в большой стакан и перемешала. С помощью цветной кольцевой резинки зафиксировала суммарный уровень круп.Далее в те же стаканы доверху налила воды и перелила её в такой же стакан, как тот, в котором смешивала крупы. Сравнила уровень воды с суммарным уровнем круп.

Результат: суммарный объём круп (суммарный объём воды) больше объёма, занимаемого перемешанными крупами: одна мера плюс одна мера меньше двух мер. Предложенная модель является только грубым приближением, показывающим, что между молекулами жидкости есть промежутки даже при несжимаемости жидкости. Строго говоря, надо учитывать взаимодействие молекул, а не только их взаимодействие с Землёй.

Опыт №2: Моделирование проникновения молекул одного вещества между молекулами другого (Смешивание известных объёмов воды и песка также является хорошей моделью проникновения молекул одного вещества между молекулами другого(обычно это демонстрируется при смешивании воды и этилового спирта) .

Я взяла два сосуда: один полностью наполнила водой, а другой таким же объёмом песка. Затем я воду вылила в сосуд с песком. Сравнила полученный объем песка с двойным объемом воды.

Результат: Объём смеси воды и песка в пробирке меньше суммы объёмов воды и песка

Вывод: Опыты 1 и 2 доказывают, что между частицами вещества существуют промежутки; во время диффузии они заполняются частицами вещества.

Опыт № 3 : Опыт с марганцовкой.

Я бросила в стакан немного марганцовки сверху осторожно добавила чистой воды. Вначале между водой и марганцовкой будет видна резкая граница, которая через несколько часов будет не такой резкой. Граница, отделяющая одну жидкость от другой, исчезнет. В сосуде образуется однородная жидкость фиолетового цвета.

Результат: Молекулы марганцовки оказались в нижнем слое воды, а молекулы воды переместились в верхний слой марганцовки.

Вывод: Опыт 3 доказывает, что все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении.

Опыт №4: Диффузия в газах.

На дно стеклянного сосуда я налила немного нашатырного спирта, а ваткой, смоченной фенолфталеином, накрыла его. Затем рассчитала скорость распространения молекул аммиака:v=s/t=0,175м /5,2 с=0,033м/с

Где s – расстояние от уровня нашатырного спирта до диска, смоченного фенолфталеином,

t- время от начала опыта до окрашивания диска

Результат: Ватку с фенолфталеином окрашивают молекулы нашатырного спирта. Известно, что масса молекулы нашатырного спирта 17 а.е.м., масса молекулы воздуха 29 а.е.м., следовательно, перемешивание молекул происходит не под действием силы тяжести, а вследствие теплового движения.

Опыт №5: Диффузия в твердых телах

На кусочки льда я насыпала порошок марганцовки, поместила все в пакет и оставила в морозильной камере.

Результат: Через 12 дней видно, что произошло частичное окрашивание кусочков льда.

Вывод: Опыты 4-5 показывают, что скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества. В газах диффузия протекает с наибольшей скоростью, а в твердых телах с наименьшей.

Опыт 6: Диффузия в холодной и горячей воде

Я взяла два сосуда один с горячей, а другой с холодной водой. Затем я добавила в оба сосуда синюю краску.

Результат: За одинаковое время в горячей воде равномерное окрашивание происходило быстрее, чем в холодной.

Вывод: Опыт 6 показывает, что диффузия происходит быстрее в том сосуде, где температура воды выше.

1.1 Социологический опрос.

Цель опроса: привлечь внимание людей к экологической проблеме, а также узнать, как они информированы об этой проблеме и что делают на бытовом уровне.

1. Помните ли вы что такое диффузия?

4. Важно ли для вас лично информация об экологии?

Варианты ответов: да; нет, затрудняюсь ответить

Анализ полученных результатов

Опрос проводился анонимно. В анкетировании принимали участие 40 человек – учащиеся 9 и 11 классов и 15 взрослых людей.

Результаты социологического опроса показали, что взрослые к проблемам экологии относятся более серьезно.

Результаты опроса:

	Да, %	Нет, %	Да, %	Нет, %
1. Помните ли вы, что такое диффузия?			100%
2. Знаете ли вы, какую роль играет диффузия в жизни животных и растений?
3. Влияет ли диффузия на экологию?			100%
4. Важна ли для вас лично информация об экологии?
5. Готовы ли вы участвовать в улучшении экологии за собственную плату?				37,5%
6. Хотите ли вы изменить экологию в лучшую сторону?			100%
7. Хотите ли вы получить дополнительные знания об экологии?

Вывод: в результате социологического опроса я пришла к выводу, что взрослые относятся более серьёзно к вопросам об экологии. Значит, родителям следует с малых лет обучать ребенка охранять окружающую среду, ведь вопросы экологии в настоящее время решаются на мировом уровне. Берегите природу!

Заключение

В ходе работы я провела опыты по наблюдению диффузии, установила, что диффузия протекает во всех средах; скорость протекания диффузии зависит от рода вещества, от температуры. Явление диффузии является одним из главных общих условий жизнедеятельности растений, животных и человека. Каким вообще был бы мир без диффузии? Прекратись тепловое движение частиц – и вокруг всё станет мёртвым! Без этого явления жизнь на Земле будет невозможна. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе. Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови. В пламени Солнца, в жизни и смерти далёких звезд, в воздухе, которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии. И становится страшно от того, что наступит момент сожаления о точке не возврата к той красоте, которая пока ещё нас окружает.

Человеку нет необходимости что–то специально делать для улучшения протекания явления диффузии в живой природе. Просто надо исключить свое отрицательное воздействие на живую природу своей деятельностью, чаще привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды и тогда каждый сможет жить в полной гармонии с природой, с самим собой.

Благодаря подготовке к данной работе, я закрепила и приобрела новые знания о движении молекул, используя научную литературу, я попыталась повторить наиболее интересные для меня опыты по диффузии. Я считаю, что результаты, выводы, описание опытов, предложенные мною в данной работе, имеют актуальность при изучении темы «Строение вещества», могут использоваться как дополнительный материал по теме «Диффузия».

Литература

Алексеев С.В., Груздева М.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии. М. АО МДС, 1996 г.
Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. М. Просвещение,1996
Шабловский В. Занимательная физика. С-Петербург, «тригон» 1997, с.416

4. Я.И.Перельман «Занимательная физика»

5. И.Г.Кириллова «Книга для чтения по физике 7-8кл»

6. А.П.Рыженков «Физика. Человек. Окружающая среда»

7. М.М.Балашов «Физика

8. Энциклопедия для детей АВАНТА. Физика

9. Большая книга экспериментов для школьников «Росмэн»

10. И.М.Низамов «Задачи по физике с техническим содержанием»

11. В.И.Лукашик, Е.В.Иванова «Сборник задач по физике»

Диффузия в жизни человека довольно распространена. но мы даже не задумываемся об этом.

Примеры диффузии в жизни человека

Диффузия — это проникновение молекул одного вещества в промежутки молекул другого вещества.

Явление диффузии играет большую роль в жизни человека. Кислород воздуха проникает в кровяные капилляры легких путем диффузии через стенки альвеол, а затем растворяясь в них, разносится по всему организму, обогащая его кислородом.

Явление диффузии можно наблюдать дома достаточно часто:

когда пользуемся аромолампой с эфирными маслами или спреями для тела или для ног, духами,
когда распыляем средства для уничтожения в помещении комаров и мух,
когда что-то склеиваем
когда пьем чай или кофе. В кружке чай с сахаром и кусочком лимона. Мы перемешиваем ложечкой горячую воду — это ускоряет процесс проникновения молекул сахара и лимона между молекулами воды.

Примеры диффузии в природе

Благодаря диффузии насекомые за многие километры обоняют аромат цветов и прилетают для сбора нектара, одновременно опыляя растения. По запахам животные находят свои жертву или родственных особей.

Диффузия - явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе, но запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему так происходит? Просто движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях она меняет направление и скорость движения. Поэтому диффузионное проникновение молекул значительно медленнее их свободного движения. Явление диффузии показывает, что молекулы все время хаотично движутся и притом в различных направлениях. Такое движение называется молекулярным тепловым движением. Диффузия, также доказывает, что между молекулами имеются промежутки.Известно, что частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия.Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет. Скорость протекания диффузии зависит от: агрегатного состояния вещества; массы молекул; температуры.

Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней.На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. Диффузия находит широкое применение в различных сферах деятельности человека. На этом явлении основана, например, диффузионная сварка металлов, никелирование. Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов и многое другое.В общем, диффузия имеет большое значение в природе и жизнедеятельности человека, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды. На протекание диффузных процессов в природе отрицательное влияние оказывает деятельность человека. Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоемов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в водоемах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому любое загрязнение поверхности воды, губительно для всего живого в водоеме. Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб промышленных и энергетических предприятий, выхлопные газы автомобилей, благодаря диффузии, распространяются на большие расстояния. Воздух и земля ещё загрязняется бытовыми отходами. Загрязняющие вещества попадают в пищу, воздух, воду и наносят огромный вред здоровью человека. Ярким проявлением диффузии, напрямую связанным с экологическими проблемами – это грязный, фактически отравленный выхлопными газами автомобилей, воздух в черте крупных городов, загрязнение отравляющими отходами многочисленных водоёмов, почвы и т.д.

Давайте вместе проведем исследование и выясним, на примере распространения пахучего вещества в воздухе как явление диффузии способствует загрязнению воздуха (проведем аналогию между молекулами загрязняющего вещества и молекулами пахучего вещества). Приведем примеры типичных загрязнителей атмосферы, рек и водоемов, полей и лесов. Узнаем, какие существуют способы защиты окружающей среды от загрязнения.

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ БЕЛОЯРСКОГО РАЙОНА

«ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 3 г. БЕЛОЯРСКИЙ»

Исследовательский проект
на тему
«Роль диффузии в нашей жизни»

Выполнил:

ученик 7в класса

Николаев Олег

Руководитель:

Тиньгаева М.А.

г.Белоярский, 2015г.

I . Введение

1.1.Определение диффузии

1.2.История открытия
II. Явление диффузии, его сущность

2.1.Описание процесса диффузии

2.2.Объяснение явления диффузии

2.3.Закономерности протекания диффузии
III. Значение диффузии

3.1.Роль диффузия в природе.

3.2.Роль диффузии в получении растворов.

3.3.Диффузия и безопасность человека.
3.4.Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»

3.5.Осмос. Практическое применение осмоса

3.6.Применение диффузии в технике и в повседневной жизни

3.7.Вредное проявление диффузии IV. Практическая часть

V. Заключение
VI .Список использованной литературы

Введение

В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах. Поднимаясь по лестнице к своей квартире, мы можем ощутить запах пищи, приготовленной дома. Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик с заваркой для приготовления чая, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке.
Итак, речь пойдет о диффузии.

Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.

Цель работы:
1. изучение процесса диффузии

2. объяснения ее значимости в нашей жизни

3. наблюдение ее проявлений
4. описание полезных и вредных свойств
5. описание значимости этого процесса в нашей жизни

Задачи работы:
1.расширить наши знания
2. объяснить процесс диффузии
3. доказать существование данного процесса
4. рассказать о том, где можем наблюдать диффузию
5. выявить свойства диффузии.

Значимость работы:
Практическая значимость данной исследовательской работы заключается в том, что полученные результаты помогут в изучении данной темы в школе, привлечет большее внимание школьников к этому физическому процессу.

Открытие диффузии.

В 1827 Броун проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой) взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам».

Наблюдение Броуна подтвердили другие ученые. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго. Поначалу Броун подумал даже, что в поле микроскопа действительно попали живые существа, тем более что пыльца – это мужские половые клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого в гербариях. Тогда Броун подумал, не есть ли это «элементарные молекулы живых существ», о которых говорил знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707–1788), автор 36-томной Естественной истории . Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать явно неживые объекты; сначала это были очень мелкие частички угля, а также сажи и пыли лондонского воздуха, затем тонко растертые неорганические вещества: стекло, множество различных минералов. «Активные молекулы» оказались повсюду: «В каждом минерале, – писал Броун, – который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла в течение какого-то времени быть взвешенной в воде, я находил, в больших или меньших количествах, эти молекулы».

Надо сказать, что у Броуна не было каких-то новейших микроскопов. В своей статье он специально подчеркивает, что у него были обычные двояковыпуклые линзы, которыми он пользовался в течение нескольких лет. И далее пишет: «В ходе всего исследования я продолжал использовать те же линзы, с которыми начал работу, чтобы придать больше убедительности моим утверждениям и чтобы сделать их как можно более доступными для обычных наблюдений».

Явление диффузии, его сущность

Как мы знаем, молекулы любого вещества находятся на некотором расстоянии друг от друга и беспрерывно хаотично движутся. Именно поэтому отдельные молекулы,например аммиака, хаотично перемещаясь, проникают в промежутки между молекулами воздуха, сталкиваются с ними и, таким образом, перемещаются все дальше и дальше от источника, т.е. от открытой пробирки с аммиаком. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы аммиака много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Это и есть явление диффузии.

Диффузия в газах и жидкостях происходит легче и быстрее, чем диффузия в твердых телах, так как молекулы в газах и жидкостях, соответственно, движутся свободнее, и расстояние между ними больше, чем в твердом теле.
Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны.
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается.

Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред. Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.

Граница между веществами расплывается. Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным.
Скорость диффузии растет с увеличением температуры.
Обратимся к опыту. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет.

Роль диффузии в природе

Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней. На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др.
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.
Результатом этого явления 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.

В жидкостях диффузия протекает помедленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.

Летом, наблюдая за муравьями, мы всегда задумывались над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости

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.

Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.

Роль диффузии в получении растворов.

Физическая теория растворов была предложена В. Оствальдом (Германия) и С. Аррениусом (Швеция). Согласно этой теории частицы растворителя и растворенного вещества (молекулы, ионы) равномерно распределяются по всему объему раствора вследствие процессов диффузии. При этом между растворителем и растворенным веществом отсутствует химическое взаимодействие.
То есть процессы диффузии в газах, жидких гелях широко применяются в химии. Например, для получения растворов, для обогащения воздуха кислородом в металлургической промышленности. Диффузия лежит в основе многих технологических процессов: адсорбции, сушки, экстрагирования, мембранных методов разделения смесей и др.

Диффузия и безопасность человека

Горючий природный газ, используемый в быту для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха. Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, горючий газ предварительно смешивают с резко пахнущими веществами. Это позволяет быстро заметить наличие утечки газа в помещении.

Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»

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.
Искусственная почка - это аппарат, предназначенный для выведения из крови человека токсинов, скапливающихся в почках при их тяжелом поражении - обычно это хроническая и острая формы недостаточности почек.

Работа аппарата основывается на принципах диализа - это выведение низкомолекулярных веществ из коллоидных растворов благодаря диффузии и разнице между осмотическим давлением с двух сторон целлофановой полупроницаемой мембраны.

Гемодиализ - это наиболее популярный метод проведения лечения запущенных форм недостаточности почек. Такая процедура позволяет человеку продолжать вести активный образ жизни, несмотря на неполноценную работу почек.

Применение диффузии в технике.

Явления диффузии широко используются в технике. Например, при извлечении сахара из свеклы последнюю мелко нарезают и помещают в специальные металлические сосуды (диффузоры), через которые проходит ток горячей воды. Находящийся в свекле сахар диффундирует при этом в протекающую воду. Из полученного раствора выделяют кристаллический сахар.

Применение в повседневной жизни.

Явление диффузии можно наблюдать дома достаточно часто: когда пользуемся аромолампой с эфирными маслами или спреями для тела или для ног, духами, распыляем средства для уничтожения в помещении комаров и мух, когда что-то склеиваем или когда пьем чай или кофе. В кружке чай с сахаром и кусочком лимона. Мы перемешиваем ложечкой горячую воду - это ускоряет процесс проникновения молекул сахара и лимона между молекулами воды. Также засолка, маринование, компоты – это все тоже благодаря диффузии.

Вредное проявление диффузии.

Не всегда диффузия благо для человека. К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.
Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают.
Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.
Мы видим, как велико значение диффузии в неживой природе, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.

Практическая часть

Опыт № 1 Наблюдение явления диффузии в жидкости.

Цель: наблюдение диффузии в жидкости, влияние температуры на протекание диффузии.
Приборы и материалы : стакан с холодной водой, раствор «зеленки», тарелка с горячей водой, пипетка.

а) в стакан с водой капнули «зеленку» и пронаблюдали, как происходит процесс диффузии;
б) провели этот же опыт, поставив стакан с водой в тарелку с горячей водой, процесс произошел гораздо быстрее, чем в первом случае

Вывод : проведя опыт, мы обнаружили, что диффузия наблюдается в жидкостях и с увеличением температуры скорость данного процесса увеличивается.

Опыт № 2 Наблюдение явления диффузии в газах.

Цель: наблюдение диффузии в газах.
Приборы и материалы: флакон духов с пульверизатором, воздух.
Описание опыта и полученные результаты:
а) разбрызгиваем духи;
б) распространения запаха по всей комнате.
Вывод : проведя опыт, мы обнаружили, что диффузия наблюдается в газах.

Опыт № 3 Наблюдение явления диффузии в твердых телах.

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.
Приборы и материалы: яблоко, раствор «зеленки», пипетка.
Описание опыта и полученные результаты:
а) разрезаем яблоко, «капаем зеленкой» на одну половинку яблока
б) наблюдаем, как пятно расплывается по поверхности.
Вывод: в ходе данного опыта мы пронаблюдали диффузию в твердых телах, заметили, что этот процесс протекает в твердых телах намного медленнее, чем в газах и жидкостях.

Заключение

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

Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения. Диффузия играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови, в воздухе которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии.

Изучая диффузию, мы пришли к выводу, что она присутствует во всех сферах жизнедеятельности человека, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.

Список использованной литературы
1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
2.Кошкин И.И, Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1980.
3. Трофимова Т.И Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990.
4. Яворский Б.М, Детлаф А.А Справочник по физике. - М.: Наука, 1985.
5. Шаталов В.Ф. Физика на всю жизнь. М.-Спб, 2003.
6. О. Ф. Кабардин, С. И. Кабардина. Физика 7 класс. М., 2011.
7. Н. К. Мартынова, Физика 7-9. М., 2011.

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

Введение

Актуальность работы. Диффузия - фундаментальное явление природы. Оно лежит в основе превращений вещества и энергии. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни.

Сущность диффузии - движение частиц среды, приводящее к переносу веществ и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения частиц данного вида в среде. Диффузия молекул и атомов обусловлена их тепловым движением.

Диффузия является также фундаментальным процессом, лежащим в основе функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц (электронная диффузия) и заканчивая биосферным уровнем (круговоротом веществ в биосфере).

Она играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике. 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.

Цель работы: Исследовать особенности протекания диффузии в газах, жидкостях и в твердых телах и выяснить применение диффузии человеком и проявление диффузии в природе, рассмотреть влияния диффузионных процессов на экологическое равновесие в природе и влияние человека на процессы диффузии.

Сущность диффузии

Демонстрирует диффузию в газах, разбрызгивая в углу класса дезодорант. Распространение запаха объясняется движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы дезодоранта много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.

Процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения называется диффузией (от лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание). Таким образом, диффузия - результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.

Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны,

Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия - перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.

Граница между веществами расплывается (рис.1б). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит, в конце концов, к тому, что раствор в сосуде становится однородным (рис.1в).

Рис.1. Объяснение явления диффузии.

Диффузия в природе

С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.

Результатом этого явления 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.

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

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…»

В жидкостях диффузия протекает медленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.

Летом, наблюдая за муравьями, я всегда задумывалась над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости

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

2.1 Диффузия в растительном мире

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».

Действительно, в растительном мире очень велика роль диффузии. Например, большое развитие листовой кроны деревьев объясняется тем, что диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет не только функцию дыхания, но частично и питания. В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.

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

В процессе обмена веществ, при расщеплении сложных питательных веществ или их элементов на более простые, происходит освобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.

2.2 Роль диффузии в питании растений.

Основную роль в диффузионных процессах в живых организмах играют мембраны клеток, обладающие избирательной проницаемостью. Прохождение веществ через мембрану зависит от:

Размеров молекул;

Электрического заряда;

От присутствия и числа молекул воды;

От растворимости этих частиц в жирах;

От структуры мембраны.

Существует две формы диффузии: а) диализ - это диффузия молекул растворенного вещества; б) осмос - это диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану. 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 происходит диффузия из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией. Затем концентрация воды в этих клетках становится выше чем в вышележащих - возникает корневое давление, обуславливающее восходящий ток сока по корням и стеблю, а потеря воды листьями обеспечивает дальнейшее поглощение воды.

Минеральные вещества в растение поступают: а) путем диффузии; б) иногда путем активного переноса против градиента концентрации, сопровождающееся расходом энергии. Различают также тургорное давление - это давление, оказываемое содержимым клетки на клеточную стенку. Оно почти всегда ниже осмотического давления клетки сока, т.к. снаружи находится не чистая вода, а солевой раствор. Значение тургорного давления:

Сохранение формы растительного организма;

Обеспечение роста в молодых клетках растений;

Сохранение упругости растений (демонстрация растений кактуса и алоэ);

Формообразование при отсутствии арматурной ткани (демонстрация помидора);

Применение диффузии в медицине.

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 гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. Вследствие разности осмотических давлений из крови в солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма. 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 CO 2 + О 2 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.

Учитель биологии: Разобраться и понять формы диффузии, осмос и диализ вам поможет следующее сообщение.

Применение диффузии в технике и в повседневной жизни

Диффузия находит широкое применение в промышленности и повседневной жизни. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Методом диффузионной сварки без применения припоев, электродов и флюсов соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.

Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены главным образом в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.

Существенную роль в работе ядерных реакторов играет диффузия нейтронов, то есть распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением направления и скорости их движения в результате столкновения с ядрами атомов. Диффузия нейтронов в среде аналогична диффузии атомов и молекул в газах и подчиняется тем же закономерностям.

В результате диффузии носителей в полупроводниках возникает электрический ток, Перемещение носителей заряда в полупроводниках обусловлено неоднородностью их концентрации. Для создания, например, полупроводникового диода в одну из поверхностей германия вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия в нем образовывается р-n - переход, по которому может идти значительный ток при минимальном сопротивлении.

На явлении диффузии основан процесс металлизации - покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целях, так, для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.

Влияние человека на протекание диффузии в природе.

К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Например, можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию, например, в Одессе, окажутся у берегов Турции из-за диффузии и существующих течений. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире исчисляется десятками триллионов тонн. Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в бассейнах разных водоемов. В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, например: кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают.

Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений. Увеличивается площадь земель, загрязненных выбросами промышленных предприятий и т.д. Свыше 2 тыс. гектаров земли занято свалками промышленных и бытовых отходов. Один из трудно решаемых в настоящее время вопросов является вопрос утилизации промышленных отходов, в том числе токсичных.

Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами, продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.

В некоторых медицинских исследованиях была показана связь заболеваемости органов дыхания и верхних дыхательных путей с состоянием воздуха. Отмечается прямая зависимость между показателем уровня заболеваемости органов дыхания и объемом выбросов вредных веществ в атмосферу. Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе.

Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Такие фильтры установлены, например на ТЭЦ в Ленинском районе Челябинска, но установка их стоит очень дорого. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.

Учитывая глобальное потепление, важно исследовать изменение скорости диффузии в зависимости от повышения температуры окружающей среды.

Экспериментальная часть.

I опыт. Наблюдение проникновения частицами одного вещества между молекулами другого вещества .

Цель : изучить, диффузию твердых веществ и сделать вывод о скорости протекания диффузии.

Приборы и материалы : желатин, перманганат калия, медный купорос, чашка Петрия, пинцет, нагревательный прибор.

Твердым раствором служит желатин. Для того, чтобы приготовить раствор, необходимо 1 ложку желатина опустить в холодную воду на 2часа, чтобы порошок набух, затем смесь нагреть и растворить желатин не доводя до кипения, затем разлили в чашку Петрия (рис.3). Когда желатин остыл, в середину быстрым движением внесли с помощью пинцета в один стакан кристаллик перманганата калия, в другой - медного купороса.И сейчас мы можем наблюдать результат диффузии.

Здесь мы пронаблюдали проникновение частиц марганцовки и медного купороса между молекулами желатина. Через 24 часа, наблюдали, что диффузия перманганата калия не происходит (рис. 4), так как перманганат калия является сильным окислителем.

Таким образом, диффузия в твердых телах протекает более медленно. Если в окружающую среду попадают, сильные окислители, то они приводят её к разрушению.

IIопыт. Наблюдение растворения кусочков гуаши в воде, при неизменной температуре (при t = 22°С)

Взяли кусочек гуаши оранжевого цвета и сосуд с чистой водой при температуре 22 °С. Положили в сосуд кусочек гуаши (рис.1) и начали наблюдать за происходящим. Через10 минут вода в сосуде начинает окрашиваться в цвет гуаши (твердого тела) (рис.2). Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ гуаши. С момента начала опыта прошло 25 минут. Цвет воды становится более интенсивным (рис.3). Молекулы воды проникают между молекулами гуаши, нарушая силы притяжения. С начала эксперимента прошло 45 минут (рис.4). Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества (гуаши). Процесс растворения гуаши закончился. Время прохождения эксперимента 2 часа 50 минут. Вода полностью окрасилась в цвет гуаши.

Таким образом, явление диффузии это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.

Ш опыт. Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры и проникновение в продукты питания.

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

Приборы и материалы : термометры - 2 шт, часы - 1 шт, стакан - 1шт, йод, картофель, магнитная мешалка.

Описание опыта и полученные результаты : взяли стакан поместили в него йод и на закрыли стакан разрезанным на половину картофелем при t=22 °С. Через 15 мин от начала эксперимента процесс диффузии не активный. Начали процесс нагревания через 4 мин. Пошел процесс диффузии,через 1 мин,видим, проникновение йода в картофель, через 2 мин.

Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии, что отрицательно влияет на продукты питания.

Таким образом, воздух загрязняется отходами разных фабрик, выхлопными газами автомобилей проникают в продукты питания, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование человека, животных и растений.

IV опыт. Изучение зависимости скорости протекания диффузии газообразных веществ в воду при постоянной температуры

Цель : изучитьскорости протекания диффузии газообразных веществ в воду при постоянной температуры и сделать вывод о скорости протекания диффузии.

Приборы и материалы : термометры - 1 шт, часы - 1 шт, колба - 1 шт, вода, йод.

Описание опыта и полученные результаты : в колбу была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры (22 °С), затем в другую колбу была налит растительное масло (5 мл). Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Колбы закрыли скотчем с приклееным к нему йодом. Наблюдение сняли через 45 минут .

Вода, покрытая пленкой растительного масла, окрасилась очень слабо, то можно судить о том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду: рыбы и другие водные обитатели испытывают недостаток кислорода и могут даже погибнуть.

Вывод : наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.

Заключение

Мы видим, как велико значение диффузии в неживой природе, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.

Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови. В пламени Солнца, в жизни и смерти далёких звезд, в воздухе, которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии.

Таким образом, диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений. Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови - в ткани. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе.

Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, я пришла к выводу, что надо привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды.

Литература

Алексеев С.В., Груздева М.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии. М. АО МДС, 1996 г.

Ильченко В.Р. Перекрески физики, химии и биологии.М: «Просвещение», 1986 г.

Кириллова И.Г.. Книга для чтения по физике. М. «Просвешение», 1986 г

Перышкин А.В.. Учебник по физике 7 класс. М. «Просвещение», 2005 г

Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь. 1995 г.

Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. М: Просвещение,1996

Чуянов В.А. Энциклопедический словарь юного физика. 1999 г.

Шахмаев Н.М.и др. Физика 7.М.:Мнемозина,2007.

Энциклопедия для детей.Т.19. Экология: В 33 т./ Гл. ред. Володин В. А. - М.: Аванта +, 2004 - 448 с.