Дифузія у житті живих організмів. Дифузія та здоров'я людини. Температура води з гасом

Серед численних явищ у фізиці процес дифузії належить до одним із найпростіших і зрозуміліших. Адже щоранку, готуючи собі ароматний чай чи каву, людина має можливість спостерігати цю реакцію практично. Давайте дізнаємося більше про цей процес та умови його протікання в різних агрегатних станах.

Що таке дифузія

Цим словом називається проникнення молекул чи атомів однієї речовини між аналогічними структурними одиницями іншого. При цьому концентрація проникаючих сполук вирівнюється.

Вперше цей процес був докладно описаний німецьким ученим Адольфом Фіком у 1855 році.

Назва цього терміна була утворена від латинського diffusio (взаємодія, розсіювання, поширення).

Дифузія у рідині

Цей процес може відбуватися з речовинами у всіх трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому. Щоб знайти практичні приклади цього, варто просто заглянути на кухню.

Борщ, що вариться на плиті, - це один з них. Під дією температури молекули глюкозинбетаніну (речовини, завдяки якому буряк має такий насичений червоний колір) рівномірно реагують з молекулами води, надаючи їй неповторний бордовий відтінок. Даний випадок – це у рідинах.

Крім борщу, цей процес можна побачити і у склянці чаю чи кави. Обидва ці напої мають настільки рівномірний насичений відтінок завдяки тому, що заварка або частинки кави, розчиняючись у воді, поширюються рівномірно між її молекулами, забарвлюючи її. На цьому принципі побудовано дію всіх популярних розчинних напоїв дев'яностих: Yupi, Invite, Zuko.

Взаємопроникнення газів

Атоми і молекули, що переносять запах, знаходяться в активному русі і внаслідок нього перемішуються з частинками, які вже містяться в повітрі, і досить рівномірно розсіюються в об'ємі приміщення.

Це прояв дифузії у газах. Варто відзначити, що саме вдихання повітря теж відноситься до процесу, що розглядається, як і апетитний запах свіжоприготовленого борщу на кухні.

Дифузія у твердих тілах

Кухонний стіл, на якому стоять квіти, застелений скатертиною яскравого жовтого кольору. Подібний відтінок вона набула завдяки здатності дифузії проходити у твердих тілах.

Сам процес надання полотну якогось рівномірного відтінку проходить у кілька етапів в такий спосіб.

Частинки жовтого пігменту дифундували в фарбувальній ємності у напрямку до волокнистого матеріалу.
Далі вони були ввібрані зовнішньою поверхнею тканини, що фарбується.
Наступним кроком була знову дифузія барвника, але цього разу вже всередину волокон полотна.
У фіналі тканина зафіксувала частинки пігменту, таким чином забарвивши.

Дифундування газів у металах

Зазвичай, говорячи про цей процес, розглядають взаємодії речовин в однакових агрегатних станах. Наприклад, дифузія у твердих тілах, твердих речовинах. Для доказу цього явища проводиться досвід із двома притиснутими один до одного металевими пластинами (золото та свинець). Взаємопроникнення молекул відбувається досить довго (один міліметр за п'ять років). Цей процес використовується виготовлення незвичайних прикрас.

Однак дифундувати здатні і з'єднання різних агрегатних станах. Наприклад, існує дифузія газів у твердих тілах.

У процесі експериментів було доведено, що цей процес протікає в атомарному стані. Для його активації, як правило, потрібне значно підвищення температури та тиску.

Прикладом такої газової дифузії у твердих тілах є воднева корозія. Вона проявляється в ситуаціях, коли атоми водню (Н 2 ), що виникли в процесі якої-небудь хімічної реакції, під дією високих температур (від 200 до 650 градусів Цельсія) проникають між структурними частинками металу.

Крім водню, у твердих тілах дифузія кисню та інших газів також здатна відбуватися. Цей непомітний для ока процес приносить чимало шкоди, адже через нього можуть руйнуватися металеві споруди.

Дифундування рідин у металах

Однак не тільки молекули газів можуть проникати у тверді тіла, а й рідин. Як і у випадку з воднем, найчастіше такий процес призводить до корозії (якщо йдеться про метали).

Класичним прикладом дифузії рідини у твердих тілах є корозія металів під впливом води (Н2О) або розчинів електролітів. Для більшості цей процес більш знайомий під назвою іржавіння. На відміну від водневої корозії, практично з ним доводиться стикатися значно частіше.

Умови прискорення дифузії. Коефіцієнт дифузії

Розібравшись з тим, у яких речовинах може відбуватися аналізований процес, варто дізнатися про умови його протікання.

Насамперед швидкість дифузії залежить від цього, у якому агрегатному стані перебувають взаємодіючі речовини. Чим більше в якому відбувається реакція, тим повільніше її швидкість.

У зв'язку з цим дифузія в рідинах і газах завжди проходитиме активніше, ніж у твердих тілах.

Наприклад, якщо кристали перманганату калію KMnO 4 (марганцівка) кинути у воду, вони протягом кількох хвилин додадуть їй красивого малинового кольору. Однак якщо посипати кристалами KMnO 4 шматочок льоду і покласти все це в морозилку, через кілька годин перманганат калію так і не зможе повноцінно пофарбувати заморожену Н 2 О.

З попереднього прикладу можна зробити ще один висновок про умови дифузії. Крім агрегатного стану, швидкість взаємопроникнення частинок впливає також і температура.

Щоб розглянути залежність від процесу, що розглядається, варто дізнатися про таке поняття, як коефіцієнт дифузії. Так називається кількісна характеристика її швидкості.

У більшості формул вона позначається за допомогою великої латинської літери D і у системі СІ вимірюється у квадратних метрах на секунду (м²/с), іноді – у сантиметрах за секунду (см2/м).

Коефіцієнт дифузії дорівнює кількості речовини, що розсіюється через одиницю поверхні протягом одиниці часу, за умови, що різниця щільностей на обох поверхнях (розташованих на відстані рівну одиниці довжини) дорівнює одиниці. Критерії, що визначають D, - це властивості речовини, в якій відбувається сам процес розсіювання частинок, та їх тип.

Залежність коефіцієнта від температури можна описати з допомогою рівняння Аррениуса: D = D 0exp (-E/TR).

У розглянутій формулі Е – мінімальна енергія, необхідна для активації процесу; Т – температура (вимірюється за Кельвіном, а не Цельсієм); R – постійна газова, характерна для ідеального газу.

Крім всього вищезгаданого, на швидкість дифузії в твердих тілах, рідини в газах впливає тиск і випромінювання (індукційне або високочастотне). Крім того, багато залежить від наявності каталізуючої речовини, часто саме вона виступає в ролі пускового механізму для початку активного розсіювання частинок.

Рівняння дифузії

Дане явище - окремий вид рівняння диференціального при приватних похідних.

Його мета - знайти залежність концентрації речовини від розмірів і координат простору (у якому вона дифундує), а також часу. При цьому заданий коефіцієнт характеризує проникність середовища реакції.

Найчастіше рівняння дифузії записують так: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

У ньому φ (t і r) - щільність речовини, що розсіюється в точці r під час t. D (φ, r) - дифузії узагальнений коефіцієнт при щільності в точці r.

∇ — векторний диференціальний оператор, компоненти якого за координатами належать до приватних похідних.

Коли коефіцієнт дифузії залежить від густини, рівняння є нелінійним. Коли ні – лінійним.

Розглянувши визначення дифузії та особливості даного процесу у різних середовищах, можна назвати, що він має як позитивні, і негативні боку.

Сторінка 1

Муніципальний загальноосвітній заклад

Ремонтненська середня загальноосвітня школа №2

Дифузія в природі та житті людини

(експериментально-дослідницька робота)

с. Ремонтне

	Вступ	3
§1	Явище «дифузія», його суть	4
§2	Осмос та діаліз - форми прояву дифузії	5
§3	Роль дифузії у природі	6
§4	Вплив дифузії на життєдіяльність людини	8
§5	Шкідливий прояв дифузії	9
	Висновок	10
	Список літератури	11

Вступ

Дифузія грає величезну роль у природі, у побуті людини та в техніці. Дифузійні процеси можуть як позитивний, і негативний впливом геть життєдіяльність людини і тварин. Однак, не у всіх людей є достатнє уявлення про перебіг цього явища.

Актуальністьроботи полягає в тому, що вивчення впливу дифузії на життєдіяльність рослин, тварин та людини розширить спектр наших знань про живу природу, продемонструє тісний зв'язок фізики, біології, екології, медицини.

Об'єкт дослідження- явище дифузії .

Предмет дослідження -вплив явища дифузії на процеси, які у природі, і пов'язані з життєдіяльністю людини.

Ціль:розглянути роль дифузії у природі та життєдіяльності людини, довести загальну значущість цього явища.

Завдання:

1. Вивчити матеріал про роль дифузії у природі та життєдіяльності людини.

2. Провести деякі досліди, що характеризують закономірності перебігу дифузії.

3. Проаналізувати отриману інформацію про явище дифузії, і навіть визначити ступінь значимості цього явища для рослин, тварин, людини.

Методи:

1.Вивчення літературних та інших інформаційних джерел.

2.Аналіз та обробка матеріалу про значущість явища дифузії.

3. Проведення експериментів.

§1 Явище «дифузія», його сутність

Дифузія (від лат. Diffusio – поширення, розтікання, розсіювання) – це явище, при якому відбувається взаємне проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої.

Явище дифузії ми спостерігаємо щодня: чи наливаємо заварку чаю в окріп, чи готуємо фарбуючий розчин. І навіть коли згоряє щось на плиті, а запах відчувається у всьому будинку, ми знову стикаємося з явищем дифузії.

Виникає питання, чому запах у кімнаті поширюється не миттєво, а через деякий час. Справа в тому, що руху пахучої речовини у певному напрямку заважає рух молекул повітря. Молекули (духів або нафталіну) на своєму шляху стикаються з молекулами газів, що входять до складу повітря. Вони постійно змінюють напрямок руху і, безладно переміщаючись, розлітаються по кімнаті.

Так як частинки рухаються і в газах, і рідинах, і в твердих тілах, то у всіх цих речовинах можлива дифузія. Проте швидкість перебігу даного явища їм різна. Для підтвердження цього факту було проведено експеримент. Одночасно здійснили три дії: розрізали апельсин, опустили в склянку пакетик чаю і на зріз сирої картоплини насипали кілька кристаликів марганцівки. В результаті спостережень було встановлено, що запах апельсина поширився по кімнаті за кілька секунд, трохи більше знадобилося часу для того, щоб чай пофарбував воду, а молекули перманганату калію лише на кілька міліметрів дифундували в картоплю за кілька годин. Отримані результати свідчать, що дифузія протікає швидше в газах, трохи повільніше в рідинах і дуже повільно в твердих тілах. Справа в тому, що в газах і рідинах основний вид теплового руху частинок призводить до їх перемішування, а в твердих тілах, кристалах, де атоми здійснюють малі коливання біля положення вузла грати, немає.

Процес дифузії пришвидшується із підвищенням температури. Звернемося до досвіду. У дві склянки налили воду, але в одну холодну, а в іншу – гарячу. Опустили одночасно у склянки пакетики із чаєм. Неважко помітити, що у гарячій воді чай швидше забарвлює воду, дифузія протікає швидше. Це тому, що з підвищенням температури збільшується швидкість руху молекул. Тому, перш ніж зробити укол пацієнтові, холодний розчин з ін'єкцією лікар трохи нагріває до температури, близької до температури людини.
§2 Осмос та діаліз - форми прояву дифузії

У світі живих організмів дифузія проявляється у двох формах – діалізі та осмосі. Діаліз називається дифузія молекул розчиненої речовини, а осмосом - дифузія розчинника через напівпроникну мембрану.

Основну роль для дифузійних процесів у живих організмах відіграють мембрани, що знаходяться на поверхні клітин, клітинних ядер і вакуолей і мають вибіркову проникність. Проходження речовини через мембрану залежить від розмірів та деяких інших фізичних властивостей молекул розчинника, а також від властивостей самої мембрани.

Якщо мішечок з пергаменту заповнити розчином цукру або солі і помістити в посудину з водою, то молекули розчиненої речовини будуть дифундувати через стінки мішечка, поки їхня концентрація в мішечку і в посудині з водою не стане однаковою. І тут ми можемо говорити, що пори мембрани досить великі проходження них молекул розчиненої речовини. Цей метод – діаліз– часто застосовують для одержання чистих препаратів білків та інших сполук.

Діаліз також використовується в апараті "штучна нирка". Апарат є гемодіалізатором, в якому кров стикається через напівпроникну мембрану з сольовим розчином. З крові в сольовий розчин крізь мембрану проходять іони та молекули продуктів обміну (сечовина, сечова кислота), а також різні токсичні речовини, що підлягають видаленню з організму. Апарат є системою з плоских каналів, розділених тонкими целофановими мембранами, за якими зустрічними потоками повільно рухаються кров і сольовий розчин, збагачений газовою сумішшю CO 2 + О 2 .Апарат підключається до кровоносної системи хворого за допомогою катетерів. Діаліз триває 4-6 год. Цим досягається очищення крові від азотистих шлаків за недостатньої функції нирок, тобто. здійснюється регулювання хімічного складу крові.

Якщо взяти мішечок з дрібнішими порами, що пропускають тільки молекули розчинника, (наприклад, води), але не пропускають молекул цукру, то молекули води дифундувати в мішечок, збільшуючи обсяг розчину в ньому. У цьому випадку ми говоримо про осмос. Вперше осмосспостерігав А. Нолле в 1748, проте дослідження цього явища було розпочато через сторіччя. Явище осмосу спостерігається у тих середовищах, де рухливість розчинника більша за рухливість розчинених речовин. Осмос зберігає всередині клітини білки, такі важливі для біологічних процесів живих організмів.

§3 Роль дифузії у природі

Явище дифузії грає велику роль природі. Так, наприклад, завдяки дифузії підтримується однорідний склад атмосферного повітря поблизу Землі. Нижній шар атмосфери – тропосфера – складається із суміші газів: азоту, кисню, вуглекислого газу та пари води. За відсутності дифузії відбулося б розшарування під впливом сили тяжкості: унизу виявився б шар важкого вуглекислого газу, з нього – кисень, вище – азот та інертні гази.

К.А. Тимірязєв говорив: «Чи говоритимемо про харчування кореня за рахунок речовин, що знаходяться в грунті, чи говоритимемо про повітряне харчування листя за рахунок атмосфери або харчування одного органу за рахунок іншого, сусіднього, – скрізь для пояснення ми будемо вдаватися до тих же причин : дифузія».

Справді, у рослинному світі також велика роль дифузії. Наприклад, великий розвиток листової крони дерев пояснюється тим, що дифузійний обмін крізь поверхню листя виконує не тільки функцію дихання, але частково і живлення. В даний час широко практикується позакореневе підживлення плодових дерев шляхом обприскування їх крони. Завдяки дифузії рослина отримує мінеральні речовини та воду із ґрунту.

Без цього явища не було б і тваринного світу. Дифузія впливає як на фізіологічні процеси, які у організмі тварин: як-от, наприклад, регуляція сольового балансу. Завдяки дифузії вони знаходять собі їжу. Акули, наприклад, відчувають запах крові на відстані кількох кілометрів. Метелики, пурхаючи між рослинами, завжди знаходять дорогу до гарної квітки. Бджоли, виявивши солодкий об'єкт, штурмують його своїм роєм.

Велику роль грають дифузні процеси у постачанні природних водойм та акваріумів киснем. Кисень потрапляє у більш глибокі шари води у стоячих водах рахунок дифузії через їх вільну поверхню. Щоб вивчити, як різні речовини на поверхні води впливають на швидкість випаровування води і зробити висновок про швидкість протікання дифузії, було зроблено такий досвід.

У тарілки була налита вода однакової маси та однакової температури (37 градуси), потім в одну тарілку був налитий бензин (5 мл), у другу – гас (5мл), у третю – олію (5 мл), у четвертій вода залишалася чистою. . Рослинна олія у нашому досвіді імітувала нафту. Засікався час, через кожні 15 хвилин знімалися показання термометрів, поміщених у всі рідини. Результати вимірювань зафіксовано у таблиці.

Час	Температура чистої води, 0	Температура води з бензином, 0С	Температура води з гасом, 0 С	Температура води з олією, 0 С
14:15	37	37	37	37
14:30	33	34	34	35
14:45	30	32	32	33
15:00	26	28	28	31

При випаровуванні з води вилітають окремі молекули. Оскільки вода, покрита плівкою бензину, гасу і олії, остигає повільніше, можна судити у тому, як і молекулам кисню важче проникнути у воду: риби та інші водяни відчувають нестачу кисню і можуть навіть загинути.

Таким чином, наявність різних речовин на поверхні води порушує процеси дифузії та може призвести до небажаних екологічних наслідків.

Тому небажані будь-які обмеження вільної поверхні води. Так, наприклад, листя або ряска, що покривають поверхню води, можуть зовсім припинити доступ кисню до води та призвести до загибелі її мешканців. З цієї ж причини судини з вузьким горлом непридатні для використання як акваріум.

§4 Вплив дифузії на життєдіяльність людини

На явище дифузії засновані багато фізіологічних процесів, що відбуваються в організмі людини: такі як дихання, всмоктування поживних речовин у кишечнику та ін. Ми можемо захистити себе від багатьох хвороб шляхом прийому ліків, які засвоюються організмом також завдяки дифузії.

Дифузія знаходить широке застосування у різних сферах діяльності. На цьому явищі засноване дифузійне зварювання металів. Деталі поміщають у закриту зварювальну камеру із сильним розрядженням, здавлюють та нагрівають до 800 градусів. У цьому відбувається інтенсивна взаємна дифузія атомів матеріалів. Дифузійне зварювання застосовується в основному в електронній та напівпровідниковій промисловості, точному машинобудуванні.

Явище дифузії використовується також для отримання цукрового соку з бурякової стружки, що нагрівається разом із водою.

Людина навчилася використовувати властивості дифузії та задля забезпечення власної безпеки. Природний горючий газ, яким ми користуємось вдома, не має ні кольору, ні запаху. При витоку помітити його неможливо, тому на розподільчих станціях газ змішують з особливою речовиною, що має різкий, неприємний запах, який легко відчувається людиною.
§5 Шкідливий прояв дифузії

На жаль, внаслідок розвитку людської цивілізації виявляється негативний вплив на природу та процеси, що протікають у ній. Процес дифузії грає велику роль забруднення річок, морів, океанів. Забруднення водойм призводить до того, що в них зникає життя. Крім того, у забрудненій воді відбуваються хімічні реакції із виділенням тепла. Температура води підвищується, причому знижується вміст кисню у воді, що погано для водних організмів.

Внаслідок явища дифузії повітря забруднюється відходами різних фабрик, вихлопними газами, через нього шкідливі відходи життєдіяльності людини проникають у ґрунт, воду, а потім надають шкідливий вплив на життя та функціонування тварин та рослин.

Висновок

Виходячи з вище викладеного, можна дійти невтішного висновку у тому, що явище дифузії одна із головних загальних умов життєдіяльності рослин, тварин і людини. Без цього явища життя на Землі було б неможливим.

Людині немає необхідності щось спеціально робити для покращення перебігу явища дифузії в живій природі. Просто треба виключити забруднення навколишнього середовища своєю діяльністю, тому що з вини людини це явище відіграє помітну роль у забрудненні річок, морів та океанів, ґрунту та атмосфери Землі.

У полум'ї Сонця, у житті та смерті далеких зірок, у повітрі, яким ми дихаємо, всюди ми бачимо прояв всемогутньої та універсальної дифузії.

Список літератури

1. Алексєєв С.В., Груздєва М.В., Муравйов А.Г., Гущина Е.В. Практикум з екології. М. АТ МДС, 1996

2. Перишкін А.В.Фізика 7 клас. - М.: Дрофа, 2005. - 189 с.

3. Прохоров А.М. Фізичний енциклопедичний словник. 1995 р.

4. Риженков А. П. Фізика Людина Навколишнє середовище. - М.: Просвітництво,1996. - 48 с.

5.Шахмаєв Н.М. та ін.Фізіка 7.М.:Мнемозіна,2007.

6. Енциклопедія для детей.Т.19. Екологія: У 33 т./гол. ред. Володін В. А. - М.: Аванта +, 2004 - 448 с.

7. http://www.Wikipedia.org

сторінка 1

Дифузія у житті досить поширена. але ми навіть не думаємо про це.

Приклади дифузії у житті

Дифузія – це проникнення молекул однієї речовини у проміжки молекул іншої речовини.

Явище дифузії грає велику роль життя людини. Кисень повітря проникає в кров'яні капіляри легень шляхом дифузії через стінки альвеол, а потім розчиняючись у них, розноситься по всьому організму, збагачуючи його киснем.

Явище дифузії можна спостерігати вдома досить часто:

коли користуємося аромолампою з ефірними оліями або спреями для тіла або для ніг, духами,
коли розпорошуємо засоби для знищення у приміщенні комарів та мух,
коли щось склеюємо
коли п'ємо чай чи каву. У кухлі чай із цукром та шматочком лимона. Ми перемішуємо гарячою водою ложечкою — це прискорює процес проникнення молекул цукру і лимона між молекулами води.

Приклади дифузії у природі

Завдяки дифузії комахи за багато кілометрів нюхають аромат квітів і прилітають для збору нектару, одночасно запилюючи рослини. За запахами тварини знаходять свою жертву або споріднених особин.

Бесідна Дарина

Як багато дивовижного та цікавого відбувається навколо нас. Світлять на нічному небі далекі зірки, горить у вікні свічка, вітер розносить аромат квітучої черемхи, тебе проводжає поглядом бабуся, що старіє…. Багато що хочеться дізнатися, спробувати пояснити самостійно. Адже багато природних явищ пов'язані з процесами дифузії, про яку ми говорили нещодавно у школі. Але ж говорили так мало! У роботі буде розглянуто конкретне фізичне явище - дифузія. Одне з найважливіших явищ у фізиці, що має так багато в собі того, що ми зустрічаємо повсякденно і використовуємо на благо собі. Отже, мова йтиме про дифузію.

Завантажити:

Попередній перегляд:

ОРЕНБУРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ВІДДІЛ З РОБОТИ З АБІТУРІЄНТАМИ ТА ПРОФЕСІЙНОЇ ОРІЄНТАЦІЇ МОЛОДІ

СЕКЦІЯ «УНІВЕРСИТЕТСЬКІ ШКОЛИ»

XXXVIII НАУКОВА КОНФЕРЕНЦІЯ СТУДЕНТІВ

Підсекція ФІЗИКА

ДИВОВИЩЕ ЯВО - ДИФУЗІЯ!

Виконала:

Бесідна Дарина

7 клас МОАУ "Гімназія №3" м. Оренбурга

Шкільний вчитель:

Філатова Надія Миколаївна

Науковий керівник:

Філатова Надія Миколаївна

вчитель фізики вищої кваліфікаційної категорії

Оренбург 2016

Вступ………………………………………………………………………..…....3

Глава I. Теоретичні положення про явище дифузія ……………………5

1.1 Механізм процесу дифузії…………………………………………….….5

1.2 Дифузія в рідинах……………………………………………………..….5

1.3 Дифузія в газах ……………………………………………………………....6

1.4 Дифузія в твердих тілах…………………………………………………...6

1.5 Від чого залежить швидкість перебігу дифузії……………………….…7

1.6 Шкідливий прояв дифузії……………………………………………….7

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

1.8 Дифузія у житті людини……………………………………………….…8

1.9 Це цікаво!.............................................. .................................................. .....9

Розділ II. Практичні спостереження за дифузією …………………………11

Соціологічне опитування…………………………………………………..12

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

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

Програми

Вступ

«Наймогутніше у світі те, що

Не видно, не чути і не відчутно»

Лао-Тсе

Будова матерії – одна з головних проблем науки, а основою сучасної фізики є атомно-молекулярне вчення. Вжеу давнину, за 2500 років до нашого часу, зародилося уявлення, що всі оточуючі нас тіла складаються з найдрібніших частинок, недоступних безпосередньому спостереженню.В даний час докази положень молекулярно-кінетичної теорії настільки численні та переконливі, що існування молекул визнано як встановлений факт. З великої кількості наукових положень та досвідчених фактів, що належать до молекулярно-кінетичної теорії, найбільший інтерес у мене викликало явище дифузії.Дифузія це дивовижне явище, з яким ми стикаємося протягом усього життя.Роль, яку відіграє дифузія в навколишньому світі, важко переоцінити. Її прояви є й у природі, й у техніці, й у побуті. Щоранку, випиваючи кухоль чаю, ми не здогадуємося, що спостерігаємо явище дифузії.Адже саме завдяки цьому явищу ми дихаємо, відчуваємо приємні запахи, їмо смачну їжу,випромінює чудові аромати. На жаль, дифузійні процеси можуть чинити не тільки позитивний, а й негативний вплив на життєдіяльність рослин, тварин та людини.
Я зацікавилася цим явищем тому, що це один із важливих процесів у життєзабезпеченні людей та живої природи Землі.

Проблема дослідження: Чим дивовижне явище дифузії?

Актуальність цього дослідженняполягає в тому, що дифузія одне з найбільш значущих явищ у фізиці, що має так багато в собі те, що ми зустрічаємо повсякденно і використовуємо на благо.Дифузія відіграє суттєво - важливу роль у природі та житті людини.Вивчення впливу дифузії на життєдіяльність рослин, тварин та людини розширить спектр наших знань про живу природу,демонструє тісний зв'язок фізики, біології, екології та медицини.Дослідження дифузії допомагає краще зрозуміти явища, з якими стикаємося щодня.

Об'єкт дослідження- Явлення дифузії.

Предмет дослідження- явище дифузії, залежність перебігу дифузії від різних чинників, прояв дифузії у природі, техніці, побуті.Вплив явища дифузії на процеси, що протікають у природі, та пов'язані з життєдіяльністю людини.

Гіпотеза дослідження: молекули рухаються.

Цілі:

Розширити знання про дифузію
З'ясувати: від чого залежить дифузія
Розглянути роль дифузії у природі та життєдіяльності людини, довести загальну значущість цього явища.
Підтвердити теоретичні факти експериментами
Розглянути приклади дифузії у домашніх дослідах
Узагальнити набуті знання та зробити висновки.

Завдання:

Вивчити матеріал у літературі, Інтернет-мережі про роль дифузії у природі та життєдіяльності людини.
Проаналізувати отриману інформацію про явище дифузії, і навіть визначити ступінь значимості цього явища для рослин, тварин, людини.
З'ясувати, де живої і неживої природі зустрічаються явища дифузії, яке значення мають, де застосовуються людиною.
Провести, описати та спроектувати деякі досліди, що характеризують закономірності перебігу дифузії.

Основні методи роботи:

Пошуковий;
Метод узагальненого аналізу (порівняння наявних знань із отриманими даними);
Експериментально – практичний.

Методи дослідження:

Вивчення, аналіз та синтез літературнихта інших інформаційних джерел;
Спостереження;
Аналіз інформації та результатів;
Порівняння;
Проведення експериментів;
Соціологічне опитування.

Глава I. Теоретичні положення явище дифузія.

1.1 Механізм процесу дифузії

Дифузія (Лат. diffusio - поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) - процес взаємного проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої, внаслідок хаотичного руху і зіткнення один з одним, що призводить до мимовільного вирівнювання їх концентрацій по всьому об'єму, що займається.

Явище дифузії можна пояснити лише тому випадку, якщо вважати, що:

Усі речовини складаються з частинок (молекул, атомів, іонів);

Між частинками є проміжки;

Частинки речовини перебувають у постійному, хаотичному русі.

Дифузія пояснюється так. Спочатку між двома тілами чітко видно межу розділу двох середовищ. Потім, внаслідок свого руху, окремі частинки речовин, що знаходяться біля кордону, обмінюються місцями. Кордон між речовинами розпливається.

Проникнувши між частинками іншої речовини, частки першої починають обмінюватися місцями з частинками другої, що знаходяться у більш глибоких шарах. Кордон розділу речовин стає ще більш розпливчастим. Завдяки безперервному і безладному руху частинок цей процес призводить, зрештою, до того, що розчин у посудині стає однорідним.

Це явище має місце у газах, рідинах та твердих тілах.

1.2 Дифузія у рідинах

Якщо кинути кілька кристаликів перманганату калію у воду, ми спостерігатимемо, що протягом кількох годин відбуватиметься фарбування води в рожевий колір.

Висновок: отже, швидкість дифузії в рідині набагато менша ніж у газах.

Пояснення: частинки в рідині «упаковані» так, що відстань між сусідніми частинками менша від їх розмірів. Самі частинки можуть переміщатися по всьому об'єму посудини, що займається рідиною. Перемішування рідин відбувається повільно (додаток 1).

1.3 Дифузія у газах

Чому можливе поширення запахів у просторі? (Наприклад, запаху парфумів)

Розповсюдження запахів можливе завдяки руху молекул речовин. Цей рух має безперервний і безладний характер. Зіткнувшись з молекулами газів, що входять до складу повітря, молекули парфумів багато разів змінюють напрямок свого руху і, безладно переміщаючись, розлітаються по всій кімнаті.

Причина дифузії – безладний рух молекул.

Пояснення: частинки газу далеко віддалені одна від одної. Між ними є великі проміжки. Крізь ці проміжки легко рухаються частинки іншої речовини. Тому дифузія у газах протікає швидко.

Так само відбувається забруднення повітря шкідливими продуктами промислового виробництва та вихлопними газами автомобілів. Природний горючий газ, яким ми користуємось вдома, не має ні кольору, ні запаху. При витоку помітити його неможливо, тому на розподільчих станціях газ змішують з особливою речовиною, що має різкий, неприємний запах, який легко відчувається людиною.

Завдяки явищу дифузії нижній шар атмосфери – тропосфера – складається із суміші газів: азоту, кисню, вуглекислого газу та пари води. За відсутності дифузії відбулося б розшарування під впливом сили тяжкості: унизу виявився б шар важкого вуглекислого газу, з нього – кисень, вище – азот, інертні гази.

У небі ми також спостерігаємо це явище. Хмари, що розсіюються - теж приклад дифузії і як точно про це сказано у Ф.Тютчева: «У небі тануть хмари ...»

1.4 Дифузія у твердих тілах.

Тверді тіла можуть мати різну будову і складатися з молекул, атомів абоіонів . У будь-якому випадку, незалежно від того, з яких мікрочастинок складається тіло, взаємодія цих частинок дуже сильно. Незважаючи на те, що вони, ці частинки, все ж таки рухаються, але ці рухи дуже незначні.

Проміжки між частинками малі, тому іншим речовинам важко проникнути між ними. Процес дифузії у твердих тілах проходить дуже повільно та непомітно для неозброєного ока (додаток 2)

1.5 Від чого залежить швидкість протікання дифузії

Швидкість дифузії залежить від температури. У разі підвищення температури процес взаємного проникнення речовин прискорюється. Це з тим, що з нагріванні зростає загальна швидкість руху молекул. У тілі з вищою температурою молекули рухаються швидше, а отже, і швидше протікає дифузія. Швидкість дифузії залежить від того, в якому агрегатному стані знаходяться тіла, що стикаються - у твердому, рідкому або газоподібному.

1.6 Шкідливий прояв дифузії.

Дифузія, крім користі, дає людині і величезну шкоду. Димові труби підприємств викидають в атмосферу вуглекислий газ, оксиди азоту та сірки. Надлишок вуглекислого газу в атмосфері небезпечний для живого світу Землі, порушує кругообіг вуглецю в природі, призводить до утворення кислотних дощів. Процес дифузії грає велику роль забруднення річок, морів і океанів. Річний скидання виробничих та побутових стоків у світі дорівнює приблизно 10 трильйонів тонн.

Для зниження викиду шкідливих газів із промислових труб, труб теплових електростанцій встановлюють спеціальні фільтри. Для попередження забруднення водойм необхідно слідкувати за тим, щоб поблизу берегів не викидалося сміття, харчові відходи, гній, різноманітні хімікати.

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, Окутуючи Землю, затримує ультрафіолетові промені.У середньому 25% всіх видів речовин, що містяться в тютюні, згоряє і руйнується в процесі куріння, 50% йде в навколишнє середовище; ).

Температура тютюнового диму на 35-40 градусів вище за температуру повітря, що надходить у рот при курінні, що викликає в роті досить різкий перепад температур. Під час куріння однієї сигарети відбувається 15-20 таких перепадів, що погано відбивається на стані зубної емалі: вона тріскається. Саме тому зуби курців руйнуються раніше, ніж зуби некурців. У газовій фракції тютюнового диму знаходиться газоподібний дьоготь, який за охолодженні перетворюється на рідкий стан, тобто. конденсується. При цьому він осідає на пальцях рук, зубах, стінках повітроносних шляхів, легень, потрапляє у шлунок. При викурюванні однієї пачки цигарок курець виготовляє близько 1 грама рідкого дьогтю.

1.7 Осмос

Коли ми хочемо вгамувати спрагу, то п'ємо воду. Але яким чином випита вода потрапляє в клітини нашого тіла? А відбувається це завдяки осмосу.

Якщо два розчини з різними концентраціями привести в дотик, ці розчини в результаті дифузії перемішуються. А якщо два таких розчини розділені непроникною перегородкою, то взагалі нічого не вийде.

Але якщо два таких розчину розділені перегородкою, що пропускає молекули розчинника, але затримує молекули розчиненої речовини, то молекули розчинника будуть переходити в більш концентрований розчин, все більш розбавляючи його. Виникаєосмос - спрямоване переміщення молекул розчинника через напівпроникну перегородку, що розділяє два розчини різної концентрації. Дифузія розчинника продовжується до встановлення рівноваги в системі в результаті вирівнювання концентрацій по обидва боки перегородки або виникнення осмотичного тиску.

Осмос від грецької – поштовх, тиск. Вперше осмос спостерігав французький хімік Нолле у 1748 р.

Оболонки всіх без винятку живих клітин якраз і мають чудову здатність пропускати молекули води і затримувати молекули розчинених у ній речовин - саме завдяки цьому клітина і може вгамовувати спрагу.

Я спробувала зробити цікавий досвід. Взяла лимон і відрізала кілька тонких часточок. Соку при цьому практично не вийшло. Я посипала лимонні часточки цукром - і згодом із них потік сік. Тут почав діяти осмос: сік потік з лимона назовні, як би прагнучи сильніше розбавити концентрований розчин цукру, що утворився на його поверхні.

А якщо нашатковану капусту перетерти із сіллю, то її обсяг різко зменшиться, а сама капуста стане вологою. Це також осмос, тільки в цьому випадку зовні клітини знаходиться сіль.

Практичне застосування осмос знаходить у процесі очищення води.

1.8 Дифузія у житті людини

Вивчаючи явище дифузії, я дійшла висновку, що саме завдяки цьому явищу людина живе. Адже, як відомо, повітря, яким ми дихаємо, складається із суміші газів: азоту, кисню, вуглекислого газу та пари води. Знаходиться він у тропосфері – у нижньому шарі атмосфери. Якби не було дифузійних процесів, то наша атмосфера просто розшарувалася б під дією сили тяжіння, яка діє на всі тіла, що знаходяться на поверхні Землі або поблизу неї, у тому числі й на молекули повітря. Внизу розташувався б важкий шар вуглекислого газу, над ним - кисень, вище - азот та інертні гази. Адже для нормальної життєдіяльності нам потрібен саме кисень, а не вуглекислий газ.

Дифузія відбувається у самому організмі людини. Дихання та травлення людини засноване на дифузії. Якщо говорити про дихання, то в кожний момент часу в кровоносних судинах, що обплітають альвеоли (комірки у вигляді бульбашок, розташовані в легенях), знаходиться приблизно 70 мл крові, з якої альвеоли дифундує вуглекислий газ, а в зворотному напрямку - кисень. Як видно з наведених прикладів, дифузійні процеси відіграють дуже важливу роль у житті людей.

1.9 Це цікаво!

У північноамериканського сірого вовка нюх у 1000 разів гостріший, ніж у людини. Він чує лосиху з дитинчатою на відстані більш ніж 2,5 км. У носі вовка приблизно 50 разів більше нюхових рецепторів, ніж в людини. Слизова оболонка зібрана в складки, так що в малому просторі зосереджена велика поверхня. Якщо розправити слизову, вона виявиться площею з великою листівкою. Ніс влаштований так, щоб наповнене запахами повітря, що вдихається, стикався з великою поверхнею слизової. У здорової тварини ніс усередині вологий, що дозволяє краще вловлювати пахучі частинки речовини. Коли вовк проходить з підвітряного боку від невидимої жертви, він чує запах, що доноситься повітрям, і починає рухатися до його джерела. Наблизившись, хижак покладається свій зір, швидкість дій і, природно, силу. Новозеландський ківі завбільшки з курку - дуже цікавий птах. Він не вміє літати, а його пір'я більше схоже на шерсть. Їжу знаходить по запаху, як комахоїдні ссавці, і може відчути черв'яка під землею на глибині 3 см. Ночами ківі риється в лісовій підстилці та ґрунті своїм довгим тонким дзьобом.

Ніздрі на кінці дзьоба ведуть до нюхових рецепторів у його підставі, а нерви від рецепторів - до нюхових часток головного мозку, які у ківі більші, ніж у всіх інших птахів. Така система дозволяє йому на відстані чути хробаків, слимаків та личинок жуків. Схопивши видобуток кінчиком дзьоба, птах кілька разів смикає головою, щоб відправити його в горлянку.

Завдяки дифузії газів відбувається необхідний життя газообмін-процес дихання, що призводить до виділення хімічної енергії внаслідок окислення органічних речовин. У невеликих рослин дифузія йде через всю поверхню, у великих квіткових рослин - через продихи на листі і зелених стеблах (у трав'янистих форм), а також через чечевички і тріщини в корі стебел, що здерев'яніли. Усередині рослин кисень поширюється дифузним перенесенням у повітроносних міжклітинниках, досягаючи клітин і розчиняючись у волозі, що покриває клітинну стінку. Звідси він дифундує вже всередину клітин. Вуглекислий газ рухається рослиною тим самим шляхом, але у зворотному напрямку. У клітинах, що містять хлорофіл, одночасно протікає і дихання, і фотосинтез: кисень, що виділяється хлоропластами, може відразу ж споживатися мітохондріями тієї ж клітини, а продукт дихального метаболізму мітохондрій - вуглекислий газ - може використовуватися для фотосинтезу хлоропластами. Найпоширеніший спосіб спілкування комах – за допомогою нюхових хімічних засобів. Є аромати, що приваблюють (атрактанти), а є відштовхувальні (репеленти), сприймані нюховими дірочками (порами) на вусиках. До атрактантів належать феромони та гормони. "Матка тут", - повідомляє один феромонів у бджолиному гнізді. "З цього запасного самця виростити виробника, а з цього - солдата", - звучить наказ через феромон у гнізді термітів. А репеленти? «Нас багато, корми на всіх не вистачить, зачекайте рости», слід пахне сигнал від першого комариного виплоду. І личинки комарів наступного виплоду смиренно чекають наказу на перетворення на комарів.

Неможливо уявити своє життя та побут без ароматичних запахів. Щоб отримати всього 1 кг рожевого масла, необхідно переробити понад півтори тонни пелюстків троянди. Ладан, ароматичну смолу для церковних потреб, одержують із соку ладанного дерева та босвеллії священної, що ростуть у Східній Африці. Мірра, смола для ароматичних куріння, виходить зі смоли дерев роду коміфора, що ростуть в Ефіопії та Південній Аравії.

У 1638 р. посол Василь Старков привіз у подарунок царю Михайлу Федоровичу від монгольського Алтин-хана 4 пуди сушеного листя. Ця рослина дуже сподобалася москвичам, і вони її із задоволенням досі вживають. А як воно називається і на якому явище ґрунтується його вживання? (Відповідь. Це чай. Явище - дифузія.)

За останні десятиліття люди докорінно змінили свій погляд на ліси Землі. І зрозуміли, що ліс- це не просто майбутні дрова, дошки, колоди, а одна з головних ланок природного ланцюга. Ліси-легкі планети, що допомагають дихати всьому живому. Один гектар лісу за рік очищає 18 млн м повітря від вуглекислого газу, поглинає 64 т інших газів та пилу, постачаючи натомість мільйони кубометрів кисню.

Розділ II. Практичні спостереження за дифузією.

Досвід №1: Моделювання проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої (Змішування відомих обсягів круп з зернами різного розміру є хорошою моделлю проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої, зазвичай це демонструється при змішуванні води та етилового спирту.

Я взяла дві скляні склянки місткістю 200 мл і одну склянку місткістю 500 мл. Відміряла склянку рису та склянку пшона. Потім, зсипала все у велику склянку і перемішала. За допомогою кольорової кільцевої гумки зафіксувала сумарний рівень круп. Далі в ті ж склянки доверху налила води і перелила її в таку ж склянку, як та, в якій змішувала крупи. Порівняла рівень води із сумарним рівнем круп.

Результат: сумарний об'єм круп (сумарний об'єм води) більший за об'єм, що займається перемішаними крупами: один захід плюс один захід менше двох мір. Запропонована модель є лише грубим наближенням, що показує, що між молекулами рідини є проміжки навіть при стисливості рідини. Строго кажучи, треба враховувати взаємодію молекул, а не тільки їхню взаємодію із Землею.

Досвід №2: Моделювання проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої (Змішування відомих об'ємів води та піску також є хорошою моделлю проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої (зазвичай це демонструється при змішуванні води та етилового спирту).

Я взяла дві судини: одну повністю наповнила водою, а іншу таким же обсягом піску. Потім воду вилила в посудину з піском. Порівняла отриманий об'єм піску з подвійним об'ємом води.

Результат: Об'єм суміші води та піску в пробірці менше суми об'ємів води та піску

Висновок: Досліди 1 та 2 доводять, що між частинками речовини існують проміжки; під час дифузії вони заповнюються частинками речовини.

Досвід № 3: Досвід із марганцівкою.

Я кинула в склянку трохи марганцівки, зверху обережно додала чистої води. Спочатку між водою та марганцівкою буде видно різку межу, яка через кілька годин буде не такою різкою. Кордон, що відокремлює одну рідину від іншої, зникне. У посудині утворюється однорідна рідина фіолетового кольору.

Результат: Молекули марганцівки опинилися у нижньому шарі води, а молекули води перемістилися у верхній шар марганцівки.

Висновок: Досвід 3 доводить, що всі тіла складаються з молекул, які перебувають у безперервному русі.

Досвід №4: Дифузія у газах.

На дно скляної посудини я налила трохи нашатирного спирту, а ваткою, змоченою фенолфталеїном, накрила його. Потім розрахувала швидкість поширення молекул аміаку: v=s/t=0,175м /5,2с=0,033м/с

Де s – відстань від рівня нашатирного спирту до диска, змоченого фенолфталеїном,

t-час від початку досвіду до фарбування диска

Результат: Ватку з фенолфталеїном забарвлюють молекули нашатирного спирту. Відомо, що маса молекули нашатирного спирту 17 а.е.м., маса молекули повітря 29 а.е.м., отже перемішування молекул відбувається не під дією сили тяжіння, а внаслідок теплового руху.

Досвід №5: Дифузія у твердих тілах

На шматки льоду я насипала порошок марганцівки, помістила все в пакет і залишила в морозильній камері.

Результат: Через 12 днів видно, що відбулося часткове фарбування шматочків льоду.

Висновок: Досліди 4-5 показують, що швидкість дифузії залежить від агрегатного стану речовини. У газах дифузія протікає з найбільшою швидкістю, а твердих тілах з найменшою.

Досвід 6: Дифузія в холодній та гарячій воді

Я взяла дві посудини одну з гарячою, а іншу з холодною водою. Потім я додала в обидві судини синю фарбу.

Результат: За однаковий час у гарячій воді рівномірне фарбування відбувалося швидше, ніж у холодній.

Висновок: Досвід 6 показує, що дифузія відбувається швидше в тій посудині, де температура води вища.

1.1 Соціологічне опитування.

Мета опитування: привернути увагу людей до екологічної проблеми, а також дізнатися, як вони поінформовані про цю проблему та що роблять на побутовому рівні.

1. Чи пам'ятаєте ви що таке дифузія?

4. Чи важливо для вас особисто інформація про екологію?

Варіанти відповідей: так; ні, важко відповісти

Аналіз отриманих результатів

Опитування проводилось анонімно. В анкетуванні брали участь 40 осіб – учні 9 та 11 класів та 15 дорослих людей.

Результати соціологічного опитування показали, що дорослі до проблем екології ставляться серйозніше.

Результати опитування:

	Так, %	Ні, %	Так, %	Ні, %
1. Чи пам'ятаєте ви, що таке дифузія?			100%
2. Чи знаєте ви, яку роль відіграє дифузія у житті тварин та рослин?
3. Чи впливає дифузія на екологію?			100%
4. Чи важлива для вас особисто інформація про екологію?
5. Чи готові ви брати участь у покращенні екології за власну плату?				37,5%
6. Чи хочете ви змінити екологію на краще?			100%
7. Чи хотіли б ви отримати додаткові знання про екологію?

Висновок: в результаті соціологічного опитування я дійшла висновку, що дорослі ставляться серйозніше до питань екології. Отже, батькам слід змалку навчати дитину охороняти навколишнє середовище, адже питання екології нині вирішуються на світовому рівні. Бережіть природу!

Висновок

У ході роботи я провела досліди щодо спостереження дифузії, встановила, що дифузія протікає у всіх середовищах; швидкість перебігу дифузії залежить від роду речовини, від температури. Явище дифузії одна із головних загальних умов життєдіяльності рослин, тварин і людини. Яким взагалі був би світ без дифузії? Припини тепловий рух частинок - і навколо все стане мертвим! Без цього явища життя на Землі буде неможливим. Але, на жаль, люди внаслідок своєї діяльності часто негативно впливають на природні процеси в природі. Природа широко використовує можливості, закладені в процесі дифузійного проникнення, відіграє найважливішу роль у поглинанні харчування та насиченні киснем крові. У полум'ї Сонця, у житті та смерті далеких зірок, у повітрі, яким ми дихаємо, всюди ми бачимо прояв всемогутньої та універсальної дифузії. І стає страшно від того, що настане момент жалю про точку не повернення до тієї краси, яка поки що нас оточує.

Людині немає необхідності щось спеціально робити для покращення перебігу явища дифузії в живій природі. Просто треба виключити свій негативний вплив на живу природу своєю діяльністю, частіше привертати увагу громадськості до проблем навколишнього середовища і тоді кожен зможе жити у повній гармонії із природою, із самим собою.

Завдяки підготовці до цієї роботи, я закріпила і набула нових знань про рух молекул, використовуючи наукову літературу, я спробувала повторити найцікавіші для мене досліди з дифузії. Я вважаю, що результати, висновки, опис дослідів, запропоновані мною в даній роботі, мають актуальність щодо теми «Будова речовина», можуть використовуватися як додатковий матеріал на тему «Дифузія».

Література

Алексєєв С.В., Груздєва М.В., Муравйов А.Г., Гущина Е.В. Практикум з екології. М. АТ МДС, 1996
Риженков А.П. фізика. Людина. Довкілля. М. Просвітництво,1996
Шабловський В. Цікава фізика. С-Петербург, «тригон» 1997, с.416

4. Я.І.Перельман «Цікава фізика»

5. І.Г.Кириллова «Книга для читання з фізики 7-8кл»

6. А.П.Риженков «Фізика. Людина. Довкілля"

7. М.М.Балашов «Фізика

8. Енциклопедія для дітей АВАНТА. Фізика

9. Велика книга експериментів для школярів "Росмен"

10. І.М.Нізамов «Завдання з фізики з технічним змістом»

11. В.І.Лукашик, Є.В.Іванова «Збірник завдань з фізики»

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Вступ

Актуальність роботи.Дифузія – фундаментальне явище природи. Воно лежить в основі перетворень речовини та енергії. Його прояви мають місце всіх рівнях організації природних систем на планеті, починаючи з рівня елементарних частинок, атомів і молекул, і до геосферою. Воно широко використовується у техніці, у повсякденному житті.

Сутність дифузії - рух частинок середовища, що призводить до перенесення речовин і вирівнювання концентрацій або встановлення рівноважного розподілу частинок даного виду в середовищі. Дифузія молекул та атомів обумовлена їх тепловим рухом.

Дифузія є також фундаментальним процесом, що лежить в основі функціонування живих систем будь-якого рівня організації, починаючи з рівня елементарних частинок (електронна дифузія) та закінчуючи біосферним рівнем (кругообігом речовин у біосфері).

Вона грає величезну роль у природі, у побуті людини та в техніці. Дифузійні процеси можуть як позитивний, і негативний впливом геть життєдіяльність людини і тварин. Прикладом позитивного впливу є підтримка однорідного складу атмосферного повітря поблизу Землі. Дифузія відіграє важливу роль у різних галузях науки і техніки, у процесах, що відбуваються в живій та неживій природі. Вона впливає протягом хімічних реакцій.

За участю дифузії або при порушенні та зміні цього процесу можуть протікати негативні явища в природі та житті людини, такі як велике забруднення довкілля продуктами технічного прогресу людини.

Мета роботи:Дослідити особливості перебігу дифузії в газах, рідинах та у твердих тілах та з'ясувати застосування дифузії людиною та прояв дифузії у природі, розглянути впливи дифузійних процесів на екологічну рівновагу у природі та вплив людини на процеси дифузії.

Сутність дифузії

Демонструє дифузію у газах, розбризкуючи в кутку класу дезодорант. Поширення запаху пояснюється рухом молекул. Цей рух має безперервний і безладний характер. Зіткнувшись з молекулами газів, що входять до складу повітря, молекули дезодоранту багато разів змінюють напрямок свого руху і, безладно переміщаючись, розлітаються по всій кімнаті.

Процес проникнення частинок (молекул, атомів, іонів) однієї речовини між частинками іншої речовини внаслідок хаотичного руху називається дифузією(Від лат. diffusio - Розповсюдження, розтікання, розсіювання). Таким чином, дифузія - результат хаотичного руху всіх частинок речовини, будь-якого механічного впливу.

Рухи частинок при дифузії абсолютно випадкові, всі напрямки зміщення рівноймовірні,

Так як частинки рухаються і в газах, і рідинах, і в твердих тілах, то в цих речовинах можлива дифузія. Дифузія - перенесення речовини, зумовлене мимовільним вирівнюванням неоднорідної концентрації атомів чи молекул різного виду. Якщо в посудину впустити порції різних газів, то через деякий час усі гази рівномірно перемішуються: число молекул кожного виду в одиниці об'єму посудини стане постійним, концентрація вирівнюється. Дифузія пояснюється так. Спочатку між двома тілами чітко видно межу поділу двох середовищ (рис.1а). Потім, внаслідок свого руху, окремі частинки речовин, що знаходяться біля кордону, обмінюються місцями.

Кордон між речовинами розпливається (рис.1б). Проникнувши між частинками іншої речовини, частки першої починають обмінюватися місцями з частинками другої, що знаходяться у більш глибоких шарах. Кордон розділу речовин стає ще більш розпливчастим. Завдяки безперервному та безладному руху частинок цей процес призводить, зрештою, до того, що розчин у посудині стає однорідним (рис.1в).

Рис.1. Пояснення явища дифузії.

Дифузія у природі

За допомогою дифузії відбувається поширення різних газоподібних речовин у повітрі: наприклад, дим багаття поширюється на великі відстані.

Результатом цього явища може бути вирівнювання температури у приміщенні при провітрюванні. Так само відбувається забруднення повітря шкідливими продуктами промислового виробництва та вихлопними газами автомобілів. Природний горючий газ, яким ми користуємось вдома, не має ні кольору, ні запаху. При витоку помітити його неможливо, тому на розподільчих станціях газ змішують з особливою речовиною, що має різкий, неприємний запах, який легко відчувається людиною.

Завдяки явищу дифузії нижній шар атмосфери – тропосфера – складається із суміші газів: азоту, кисню, вуглекислого газу та пари води. За відсутності дифузії відбулося б розшарування під впливом сили тяжкості: унизу виявився б шар важкого вуглекислого газу, з нього - кисень, вище - азот інертні гази.

У небі ми також спостерігаємо це явище. Хмари, що розсіюються - теж приклад дифузії і як точно про це сказано у Ф.Тютчева: «У небі тануть хмари…»

У рідинах дифузія протікає повільніше, ніж у газах, але цей процес можна прискорити за допомогою нагрівання. Наприклад, щоб швидше засолити огірки, їх заливають гарячим розсолом. Ми знаємо, що в холодному чаї цукор розчиниться повільніше, ніж у гарячому.

Влітку, спостерігаючи за мурахами, я завжди замислювалася над тим, як вони у величезному для них світі, пізнають дорогу додому. Виявляється, і цю загадку відкриває явище дифузії. Мурахи позначають свій шлях крапельками пахучої рідини

Завдяки дифузії комахи знаходять собі їжу. Метелики, пурхаючи між рослинами, завжди знаходять дорогу до гарної квітки. Бджоли, виявивши солодкий об'єкт, штурмують його своїм роєм.

А рослина росте, цвіте для них також завдяки дифузії. Адже ми говоримо, що рослина дихає і видихає повітря, п'є воду, отримує з ґрунту різні мікродобавки.

Плотоядні тварини знаходять своїх жертв також завдяки дифузії. Акули відчувають запах крові на відстані кількох кілометрів, як і риби піраньї.

Екологія довкілля погіршується рахунок викидів в атмосферу, у воду хімічних та інших шкідливих речовин, і це все поширюється і забруднює величезні території. А ось дерева виділяють кисень та поглинають вуглекислий газ за допомогою дифузії.

На принципі дифузії засноване перемішування прісної води із солоною при впаданні річок у моря. Дифузія розчинів різних солей у ґрунті сприяє нормальному живленню рослин.

У всіх наведених прикладах спостерігаємо взаємне проникнення молекул речовин, тобто. дифузію. На цьому процесі засновані багато фізіологічних процесів в організмі людини і тварин: такі як дихання, всмоктування та ін. Загалом дифузія має велике значення в природі, але це явище також шкідливе щодо забруднення навколишнього середовища.

2.1 Дифузія у рослинному світі

К.А. Тимірязєв говорив: «Чи говоритимемо про харчування кореня за рахунок речовин, що знаходяться в грунті, чи говоритимемо про повітряне харчування листя за рахунок атмосфери або харчування одного органу за рахунок іншого, сусіднього, - скрізь для пояснення ми будемо вдаватися до тих же причин : дифузія».

Справді, у світі дуже велика роль дифузії. Наприклад, великий розвиток листової крони дерев пояснюється тим, що дифузійний обмін крізь поверхню листя виконує не тільки функцію дихання, але частково і живлення. В даний час широко практикується позакореневе підживлення плодових дерев шляхом обприскування їх крони.

Велику роль грають дифузні процеси у постачанні природних водойм та акваріумів киснем. Кисень потрапляє у більш глибокі шари води у стоячих водах рахунок дифузії через їх вільну поверхню. Тому небажані будь-які обмеження вільної поверхні води. Так, наприклад, листя або ряска, що покривають поверхню води, можуть зовсім припинити доступ кисню до води та призвести до загибелі її мешканців. З цієї ж причини судини з вузьким горлом непридатні для використання як акваріум.

У процесі обміну речовин, при розщепленні складних поживних речовин чи його елементів більш прості, відбувається звільнення енергії, яка потрібна на життєдіяльності організму.

2.2 Роль дифузії у харчуванні рослин.

Основну роль дифузійних процесах у живих організмах грають мембрани клітин, які мають виборчої проникністю. Проходження речовин через мембрану залежить від:

Розмір молекул;

Електричний заряд;

Від присутності та числа молекул води;

Від розчинності цих частинок у жирах;

Від структури мембрани.

Існує дві форми дифузії: а) діаліз- це дифузія молекул розчиненої речовини; б) осмос- це дифузія розчинника через напівпроникну мембрану. У ґрунтових розчинах містяться мінеральні солі та органічні сполуки. Вода з ґрунту потрапляє в рослину шляхом осмосу через напівпроникні мембрани кореневих волосків. Концентрація води в ґрунті виявляється вищою, ніж усередині кореневих волосків, тому відбувається дифузія із зони з більшою концентрацією в зону з меншою концентрацією. Потім концентрація води в цих клітинах стає вищою ніж у вищележачих - виникає кореневе тиск, що зумовлює висхідний струм соку по корінням і стеблі, а втрата води листям забезпечує подальше поглинання води.

Мінеральні речовини в рослину надходять: шляхом дифузії; б) іноді шляхом активного перенесення проти градієнта концентрації, що супроводжується витратою енергії. Розрізняють також тургорний тиск- це тиск, який чиниться вмістом клітини на клітинну стінку. Воно майже завжди нижче за осмотичний тиск клітини соку, т.к. зовні знаходиться не чиста вода, а сольовий розчин. Значення тургорного тиску:

Збереження форми рослинного організму;

Забезпечення росту у молодих клітинах рослин;

Збереження пружності рослин (демонстрація рослин кактусу та алое);

Формоутворення за відсутності арматурної тканини (демонстрація помідора);

Застосування дифузії у медицині.

Більше 30 років тому німецький лікар Вільям Кольф застосував апарат «штучна нирка». З того часу він застосовується: для невідкладної хронічної допомоги при гострій інтоксикації; для підготовки хворих із хронічною нирковою недостатністю до трансплантації нирок; для тривалого (10-15 років) життєзабезпечення хворих із хронічним захворюванням нирок.

Застосування апарату «штучна нирка» стає більшою мірою терапевтичною процедурою, апарат застосовується як у клініці, так і в домашніх умовах. За допомогою апарату проводилася підготовка реципієнта до першої у світі успішної трансплантації нирки, проведеної 1965 р. академіком Б.В. Петровським.

Апарат є гемодіалізатором, в якому кров стикається через напівпроникну мембрану з сольовим розчином. Внаслідок різниці осмотичних тисків з крові в сольовий розчин крізь мембрану проходять іони та молекули продуктів обміну (сечовина, сечова кислота), а також різні токсичні речовини, що підлягають видаленню з організму. Апарат являє собою систему з плоских каналів, розділених тонкими целофановими мембранами, якими зустрічними потоками повільно рухаються кров і діалізат - сольовий розчин, збагачений газовою сумішшю CO 2 + О 2 Апарат підключається до кровоносної системи хворого за допомогою катетерів, введених у напівполу в діалізат) та ліктьову (вихід) вени. Діаліз триває 4-6 год. Цим досягається очищення крові від азотистих шлаків за недостатньої функції нирок, тобто. здійснюється регулювання хімічного складу крові.

Вчитель біології:Розібратися та зрозуміти форми дифузії, осмос та діаліз вам допоможе наступне повідомлення.

Застосування дифузії в техніці та у повсякденному житті

Дифузія знаходить широке застосування у промисловості та повсякденному житті. На явище дифузії засноване дифузійне зварювання металів. Методом дифузійного зварювання без застосування припоїв, електродів та флюсів з'єднують між собою метали, неметали, метали та неметали, пластмаси. Деталі поміщають у закриту зварювальну камеру із сильним розрядженням, здавлюють та нагрівають до 800 градусів. При цьому відбувається інтенсивна взаємна дифузія атомів у поверхневих шарах контактуючих матеріалів. Дифузійне зварювання застосовується в основному в електронній та напівпровідниковій промисловості, точному машинобудуванні.

Для вилучення розчинних речовин з подрібненого твердого матеріалу застосовують дифузійний апарат. Такі апарати поширені головним чином у цукробуряковому виробництві, де їх використовують для отримання цукрового соку з бурякової стружки, що нагрівається разом з водою.

Істотну роль роботі ядерних реакторів грає дифузія нейтронів, тобто поширення нейтронів у речовині, що супроводжується багаторазовим зміною напрями та швидкості їх руху внаслідок зіткнення з ядрами атомів. Дифузія нейтронів серед аналогічна дифузії атомів і молекул у газах і підпорядковується тим самим закономірностям.

В результаті дифузії носіїв у напівпровідниках виникає електричний струм, переміщення носіїв заряду в напівпровідниках зумовлено неоднорідністю їх концентрації. Для створення, наприклад, напівпровідникового діода одну з поверхонь германію вплавляють індій. Внаслідок дифузії атомів індію в глиб монокристалу германію в ньому утворюється р-n - перехід, яким може йти значний струм при мінімальному опорі.

На явище дифузії заснований процес металізації - покриття поверхні виробу шаром металу або сплаву для повідомлення їй фізичних, хімічних та механічних властивостей, відмінних від властивостей металу. Застосовується для захисту виробів від корозії, зносу, підвищення контактної електричної провідності в декоративних цілях, так, для підвищення твердості та жаростійкості сталевих деталей застосовують цементацію. Вона полягає в тому, що сталеві деталі поміщають у ящик із графітовим порошком, який встановлюють у термічній печі. Атоми вуглецю внаслідок дифузії проникають поверхневий шар деталей. Глибина проникнення залежить від температури та часу витримки деталей у термічній печі.

Вплив людини на перебіг дифузії у природі.

На жаль, внаслідок розвитку людської цивілізації виявляється негативний вплив на природу та процеси, що протікають у ній. Процес дифузії грає велику роль забруднення річок, морів, океанів. Наприклад, можна бути впевненим, що миючі засоби, злиті в каналізацію, наприклад, в Одесі, виявляться біля берегів Туреччини через дифузію та течії. Річний скидання виробничих та побутових стоків у світі обчислюється десятками трильйонів тонн. Прикладом негативного впливу людини на процеси дифузії у природі є великомасштабні аварії, що сталися у басейнах різних водойм. В результаті цього явища нафта і продукти її переробки розтікаються поверхнею води і, як результат, порушуються процеси дифузії, наприклад: кисень не надходить у товщу води, і риби без кисню гинуть.

Внаслідок явища дифузії повітря забруднюється відходами різних фабрик, через нього шкідливі відходи життєдіяльності людини проникають у ґрунт, воду, та був надають шкідливий впливом геть життя і функціонування тварин і рослин. Збільшується площа земель, забруднених викидами промислових підприємств тощо. Понад 2 тис. гектарів землі зайнято звалищами промислових та побутових відходів. Одне з питань, що важко вирішуються в даний час, є питання утилізації промислових відходів, у тому числі токсичних.

Нагальною проблемою є забруднення повітря вихлопними газами, продуктами переробки шкідливі речовини, що викидаються в атмосферу різними заводами. Димові труби підприємств викидають в атмосферу вуглекислий газ, оксиди азоту та сірки. На даний час загальна кількість емісії газів в атмосферу перевищує 40 мільярдів тонн на рік. Надлишок вуглекислого газу в атмосфері небезпечний для живого світу Землі, порушує кругообіг вуглецю в природі, призводить до утворення кислотних дощів. Процес дифузії грає велику роль забруднення річок, морів і океанів. Річний скидання виробничих та побутових стоків у світі дорівнює приблизно 10 трильйонів тонн.

У деяких медичних дослідженнях було показано зв'язок захворюваності органів дихання та верхніх дихальних шляхів зі станом повітря. Відзначається пряма залежність між показником рівня захворюваності органів дихання та обсягом викидів шкідливих речовин в атмосферу. Перелічені приклади дифузії шкідливо впливають на різні процеси, що відбуваються в природі.

Забруднення водойм призводить до того, що в них зникає життя, а воду, що використовується для пиття, доводиться очищати, що дуже дорого. Крім того, у забрудненій воді відбуваються хімічні реакції із виділенням тепла. Температура води підвищується, причому знижується вміст кисню у воді, що погано для водних організмів. Через підвищення температури води багато річок тепер взимку не замерзають. Для зниження викиду шкідливих газів із промислових труб, труб теплових електростанцій встановлюють спеціальні фільтри. Такі фільтри встановлені, наприклад, на ТЕЦ у Ленінському районі Челябінська, але встановлення їх коштує дуже дорого. Для попередження забруднення водойм необхідно слідкувати за тим, щоб поблизу берегів не викидалося сміття, харчові відходи, гній, різноманітні хімікати.

Враховуючи глобальне потепління, важливо дослідити зміну швидкості дифузії залежно від підвищення навколишнього середовища.

Експериментальна частина.

I досвід. Спостереження проникнення частинками однієї речовини між молекулами іншої речовини .

Ціль : вивчити дифузію твердих речовин і зробити висновок про швидкість протікання дифузії.

Прилади та матеріали : желатин, перманганат калію, мідний купорос, чашка Петрія, пінцет, нагрівальний прилад.

Твердим розчином є желатин. Для того, щоб приготувати розчин, необхідно 1 ложку желатину опустити в холодну воду на 2 години, щоб порошок набух, потім нагріти суміш і розчинити желатин не доводячи до кипіння, потім розлили в чашку Петрія (рис.3). Коли желатин охолонув, у середину швидким рухом внесли за допомогою пінцету в одну склянку кристалик перманганату калію, в інший – мідного купоросу. І зараз ми можемо спостерігати результат дифузії.

Тут ми спостерігали проникнення частинок марганцівки та мідного купоросу між молекулами желатину. Через 24 години, спостерігали, що дифузія перманганату калію немає (мал. 4), оскільки перманганат калію є сильним окислювачем.

Таким чином, дифузія у твердих тілах протікає повільніше. Якщо довкілля потрапляють, сильні окислювачі, всі вони призводять її до руйнації.

II досвід. Спостереження розчинення шматочків гуаші у воді при незмінній температурі (при t = 22°С)

Взяли шматочок гуаші оранжевого кольору та посудину з чистою водою при температурі 22 °С. Поклали в посуд шматочок гуаші (рис.1) і почали спостерігати за тим, що відбувається. Через 10 хвилин вода в посудині починає фарбуватися в колір гуаші (твердого тіла) (рис.2). Вода є добрим розчинником. Під впливом молекул води відбувається руйнація зв'язків між молекулами твердих речовин гуаші. З початку досвіду пройшло 25 хвилин. Колір води стає інтенсивнішим (рис.3). Молекули води проникають між молекулами гуаші, порушуючи сили тяжіння. З початку експерименту пройшло 45 хвилин (рис.4). Одночасно із силами тяжіння між молекулами починають діяти сили відштовхування і, як наслідок, відбувається руйнування кристалічних ґрат твердої речовини (гуаші). Процес розчинення гуаші закінчився. Час проходження експерименту 2:00 50 хвилин. Вода повністю забарвилася у колір гуаші.

Таким чином, явище дифузії є тривалим процесом, в результаті якого відбувається розчинення твердих тіл.

Ш досвід.Вивчення залежності швидкості перебігу дифузії від температури та проникнення у продукти харчування.

Ціль : вивчити, як температура впливає швидкість протікання дифузії.

Прилади та матеріали : термометри – 2 шт, годинник – 1 шт, склянка – 1шт, йод, картопля, магнітна мішалка.

Опис досвіду та отримані результати : взяли склянку помістили в нього йод і на закрили склянку розрізаною на половину картоплею при t = 22 °С. Через 15 хв від початку експерименту процес дифузії не активний. Почали процес нагрівання через 4 хв. Пішов процес дифузії через 1 хв, бачимо, проникнення йоду в картопля, через 2 хв.

З цього досвіду можна дійти невтішного висновку у тому, що у швидкість протікання дифузії впливає температура: що більше температура, то вище швидкість протікання дифузії, що негативно впливає продукти харчування.

Таким чином, повітря забруднюється відходами різних фабрик, вихлопними газами автомобілів проникають у продукти харчування, а потім надають шкідливий вплив на життя та функціонування людини, тварин та рослин.

ІV досвід.Вивчення залежності швидкості протікання дифузії газоподібних речовин у воду за постійної температури

Ціль : вивчити швидкості протікання дифузії газоподібних речовин у воду за постійної температури і зробити висновок про швидкість протікання дифузії.

Прилади та матеріали : термометри – 1 шт, годинник – 1 шт, колба – 1 шт, вода, йод.

Опис досвіду та отримані результати : у колбу була налита вода однакової маси та однакової температури (22 °С), потім в іншу колбу була налита рослинна олія (5 мл). Рослинна олія у нашому досвіді імітувала нафту. Колби закрили скотчем із приклеєним до нього йодом. Спостереження зняли через 45 хвилин.

Вода, покрита плівкою рослинної олії, забарвилася дуже слабко, можна судити у тому, що й молекулам кисню важче проникнути у воду: риби та інші водні жителі відчувають нестачу кисню і можуть навіть загинути.

Висновок : наявність різних речовин на поверхні води порушує процеси дифузії та може призвести до небажаних екологічних наслідків.

Висновок

Ми бачимо, наскільки велике значення дифузії в неживій природі, а існування живих організмів було б неможливим, якби не було цього явища. На жаль, доводиться боротися з негативним проявом цього явища, але позитивних чинників набагато більше і тому говоримо про величезне значення дифузії в природі.

Природа широко використовує можливості, закладені в процесі дифузійного проникнення, відіграє найважливішу роль у поглинанні харчування та насиченні киснем крові. У полум'ї Сонця, у житті та смерті далеких зірок, у повітрі, яким ми дихаємо, всюди ми бачимо прояв всемогутньої та універсальної дифузії.

Таким чином, дифузія має велике значення у процесах життєдіяльності людини, тварин та рослин. Завдяки дифузії кисень з легенів проникає в кров людини, а з крові - у тканини. Але, на жаль, люди внаслідок своєї діяльності часто негативно впливають на природні процеси в природі.

Вивчаючи дифузію, її роль екологічному рівновазі природи та чинники, що впливають її перебіг у природі, я дійшла висновку, що треба привертати увагу громадськості до проблем довкілля.

Література

Алексєєв С.В., Груздєва М.В., Муравйов А.Г., Гущина Е.В. Практикум з екології. М. АТ МДС, 1996

Ільченко В.Р. Перекрески фізики, хімії та біології.М: «Освіта», 1986 р.

Кирилова І.Г.. Книга для читання з фізики. М. «Просвіта», 1986 р

Перишкін А.В.. Підручник з фізики 7 клас. М. «Освіта», 2005 р

Прохоров А.М. Фізичний енциклопедичний словник. 1995 р.

Риженков А.П. фізика. Людина. Довкілля. М: Просвітництво,1996

Чуянов В.А. Енциклопедичний словник молодого фізика. 1999 р.

Шахмаєв Н.М. та ін. Фізика 7.М.: Мнемозіна,2007.

Енциклопедія для детей.Т.19. Екологія: У 33 т./гол. ред. Володін В. А. - М: Аванта +, 2004 - 448 с.