Диффузия и здоровье человека. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия Положительная диффузия

Павлова Дарья Александровна

В ходе данной проекта рассматривается такое понятие как диффузия, и какую роль она играет 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.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
средней общеобразовательной школы №11 г. Павлово

Проект по физике

« Диффузия вокруг нас.»

Выполнила:
ученица 11 класса
Павлова Дарья
Александровна
Руководитель:
Трескова М.В.

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.

4.1.Проведенные опыты

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, как вы догадались, в моей работе я 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:
изучение процесса диффузии
объяснения ее значимости в нашей жизни, наблюдение ее проявлений
описание полезных и вредных свойств
описание значимости этого процесса в нашей жизни
Задачи работы:
расширить наши знания
объяснить процесс диффузии
доказать существование данного процесса
рассказать о том, где можем наблюдать диффузию
выявить свойства диффузии.
Значимость работы.
Практическая значимость моей 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».

Дальнейшие исследования диффузии.

Ж.Нолле (1748)- Открытие диффузии жидкости сквозь перегородку.

Ж.Нолле (1748)- Открытие осмоса.

Осмос- процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации растворённого вещества (меньшей концентрации растворителя).

А.Фик (1855)- Закон диффузии.

Й.Стефан (1871)- Теория диффузии газов

Дж. Максвелл (1866)- Теория переноса в общем виде (диффузия, теплопроводность, внутреннее трение)

К.Нейман (1872)- Предсказание термодиффузии

Б.Феддерсен (1873)- Открытие термодиффузии.

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 (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).

а б в
Рис.1. Объяснение явления диффузии.

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.

Значение диффузии.

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.

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 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.

Пронаблюдаем, как легко происходит диффузия между воздухом и бурым газом (оксидом азота (NO 2 )). Возьмем колбу и на дно поместим медные опилки (рис.2а), а затем прильем раствор концентр. HNОз (рис.2б). В колбе протекает реакция, в результате которой выделяется бурый газ (NO 2 )(рис.2в):

Сu + 4НNО 3 → Сu(NО 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

(конц.)

медные раствор (NО 2 )

опилки НNО 3

А б в
Рис.2. Диффузия между воздухом и бурым газом (оксидом азота (NO 2 ).

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.

Осмос. Практическое применение осмоса.

Осмос - просачивание жидких веществ сквозь животные или растительные перепонки, ткани.
Когда в одном объеме находятся два газа, они быстро смешиваются. То же самое происходит и с жидкостями. Например, капля чернил придаст слабую окраску целому литру воды.
При осмосе соединение происходит через мембраны, такие, как тонкие стенки корешков растений или стенки кишечника. Мембраны замедляют соединительный процесс, но не останавливают его. При осмосе мембраны живых организмов пропускают одни вещества и задерживают другие. Это определяется частично строением самих веществ. Ученые считают, что при осмосе растворенные частицы вещества проникают между молекулами мембраны.
Частички раствора при контакте с мембраной давят на нее и создают так называемое «осмотическое давление» . Та сторона, где присутствует больше частичек растворенного вещества, обладает и большим осмотическим давлением, поэтому движение происходит из участков с высоким давлением к участкам с пониженным давлением.
Но движение осуществляется в обоих направлениях, так как мембраны пропускают вещества в обе стороны. В нашем организме, например, мембраны кровеносных сосудов постоянно пропускают вещества в обе стороны. Таким образом, переваренная пища поступает в кровь, а двуокись углерода выводится из крови через легкие.

Практическое применение осмоса. Мембранные методы разделения основаны на различной скорости прохождения компонентов раствора или газовой смеси через полупроницаемую мембрану за счёт разницы концентрации, давления, температуры или электрического потенциала по обе стороны мембраны. Мембранные методы разделения применяются для опреснения солёных и очистки сточных вод, получения особо чистой воды, разделения углеводородов, концентрирования растворов, в том числе пищевых продуктов, биологически активных веществ, обогащения воздуха кислородом. Полупроницаемые мембраны изготовляют в виде пористых плёнок, пластин, полых нитей из полимеров, стекла, металлов. Обратный осмос используется при гиперфильтрации – метода концентрирования или уменьшения засоленности растворов, заключающийся в подаче их на полупроницаемую мембрану. Мембрана пропускает растворитель и полностью или частично задерживает растворенное вещество. Обратный осмос применяется для опреснения солёных и очистки сточных вод, разделения трудноразделимых смесей, смещения равновесия химических реакции.

В настоящее время во всем мире действует свыше 2000 заводов по опреснению воды.

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.

Проведенные исследования

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.

Спис ок 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.

Видели ли вы когда-нибудь полчища мелких назойливых мошек, беспорядочно роящихся над головой? Иной раз кажется, что они как будто неподвижно висят в воздухе. С одной стороны этот рой неподвижен, с другой — насекомые внутри него безостановочно движутся то вправо, то влево, то вверх, то вниз, постоянно сталкиваясь друг с другом и разлетаясь вновь в пределах этого облака, как будто невидимая сила удерживает их вместе.

Движения молекул носят похожий хаотичный характер, при этом тело сохраняет стабильную форму. Такое движение называется тепловым движением молекул.

Броуновское движение

В далеком 1827 году известный британский ботаник Роберт Броун при помощи микроскопа изучал поведение микроскопических частиц цветочной пыльцы в воде. Он обратил внимание на то, что частички постоянно двигались в хаотичном, не поддающемся логическому объяснению порядке, и это беспорядочное движение не зависело ни от движения жидкости, в которой они находились, ни от ее испарения. Мельчайшие частички пыльцы описывали сложные, загадочные траектории. Интересно то, что интенсивность такого движения не снижается со временем и не связано с химическими свойствами среды, а только увеличивается, если уменьшается вязкость этой среды или размеры движущихся частиц. Кроме этого, большое влияние на скорость движения молекул оказывает температура: чем она выше, тем частицы движутся быстрее.

Диффузия

Давным-давно люди поняли, что все вещества на свете состоят из мельчайших частиц: ионов, атомов, молекул, и между ними имеются промежутки, и эти частицы постоянно и хаотично движутся.

Следствием теплового движения молекул является диффузия. Примеры мы можем наблюдать практически везде в повседневной жизни: и в быту, и в живой природе. Это распространение запахов, склеивание различных твердых предметов, перемешивание жидкостей.

Говоря научным языком, диффузия — это явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Газы и диффузия

Самый простой пример диффузии в газах — это довольно быстрое распространение в воздухе запахов (как приятных, так и не очень).

Диффузия в газах может быть крайне опасной, из-за этого явления молниеносно протекает отравление угарным и другими ядовитыми газами.

Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты и иногда даже часы. Это зависит от плотности и температуры.

Одним из примеров является очень быстрое растворение солей, спиртов и кислот, за короткое время образующих однородные растворы.

Диффузия в твердых телах

Протекает труднее всего, при обычной комнатной или уличной температуре она незаметна. Во всех современных и старых школьных учебниках в качестве примера диффузии в твердых телах описан опыт со свинцовой и золотой пластинками. Этот эксперимент показал, что только по прошествии более четырех лет в свинец проникло ничтожно малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более пяти миллиметров. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Следовательно, скорость и интенсивность диффузии не в последнюю очередь зависит от плотности вещества и скорости хаотичного движения молекул, а скорость, в свою очередь — от температуры. Диффузия интенсивнее и быстрее протекает при более высоких температурах.

Примеры диффузии в быту

Мы даже не задумываемся о том, что ежедневно практически на каждом шагу встречаем явление диффузии. Именно поэтому это явление считается одним из самых значительных и интересных в физике.

Один из простейших примеров диффузии в быту — растворение сахара в чае или кофе. Если в стакан с кипятком поместить кусочек сахара, он через некоторое время исчезнет бесследно, при этом даже объем жидкости практически не изменится.

Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:

• растворение стирального порошка, марганцовки, соли;
• распыление освежителей воздуха;
• аэрозоли для горла;
• вымывание грязи с поверхности белья;
• смешивание красок художником;
• замешивание теста;
• приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.

В 1638 г., вернувшись из Монголии, посол Василий Старков преподнес русскому царю Михаилу Федоровичу в подарок почти 66 кг сушеных листьев, обладающих странным терпковатым ароматом. Это засушенное растение очень понравилось ни разу не пробовавшим его москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Узнали его? Конечно же, это чай, который заваривается благодаря явлению диффузии.

Примеры диффузии в окружающем мире

Роль диффузии в окружающем нас мире очень велика. Одним из важнейших примеров диффузии является кровообращение в живых организмах. Кислород из воздуха проникает в капилляры крови, расположенные в легких, после этого растворяется в них и разносится по всему организму. В свою очередь углекислый газ диффундирует из капилляров в альвеолы легких. Питательные вещества, выделяемые из пищи путем диффузии проникают в клетки.

У травянистых видов растений диффузия идет через всю их зеленую поверхность, у более крупных цветущих растений - через листья и стебли, у кустарников и деревьев — через трещины в коре стволов и веток и чечевички.

Кроме того, примером диффузии в окружающем мире является всасывание воды и растворенных в ней минералов корневой системой растений из почвы.

Именно диффузия является причиной того, что состав нижнего слоя атмосферы является неоднородным и состоит из нескольких газов.

К сожалению, в нашем несовершенном мире найдется совсем немного людей, которые не знают, что такое инъекция, также известная как "укол". Этот вид болезненного, но эффективного лечения также основан на явлении диффузии.

Загрязнение окружающей среды: почвы, воздуха, водоемов — это тоже примеры диффузии в природе.

Тающие в синем небе белые облака, так любимые поэтами всех времен — тоже она— известная каждому ученику средних и старших классов диффузия!

Итак, диффузия — это то, без чего жизнь наша была бы не просто труднее, а практически невозможной.

Страница 1

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Ремонтненская средняя общеобразовательная школа №2

Диффузия в природе и жизни человека

(экспериментально- исследовательская работа)

с. Ремонтное

Введение

Диффузия 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. Однако, не у всех людей есть достаточное представление о протекании этого явления.

Актуальность работы состоит в том, что изучение влияния диффузии на жизнедеятельность растений, животных и человека расширит спектр наших знаний о живой природе, продемонстрирует тесную связь физики, биологии, экологии, медицины.

Объект исследования - явление диффузии.

Предмет исследования - влияние явления диффузии на процессы, протекающие в природе, и связанные с жизнедеятельностью человека.

Цель: рассмотреть роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека, доказать общую значимость этого явления.

Задачи:

1. Изучить материал о роли диффузии в природе и жизнедеятельности человека.

2. Провести некоторые опыты, характеризующие закономерности протекания диффузии.

3. Проанализировать полученную информацию о явлении диффузии, а также определить степень значимости этого явления для растений, животных, человека.

Методы:

1.Изучение литературных и других информационных источников.

2.Анализ и обработка материала о значимости явления диффузии.

3.Проведение экспериментов.

§1 Явление «диффузия», его сущность

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

Явление диффузии мы наблюдаем каждый день: наливаем ли заварку чая в кипяток, приготавливаем ли красящий раствор. И даже когда сгорает что-то на плите, а запах чувствуется по всему дому, мы вновь сталкиваемся с явлением диффузии.

Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а через некоторое время. Дело в том, что движению пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы (духов или нафталина) на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате.

Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то во всех этих веществах возможна диффузия. Однако скорость протекания данного явления для них различна. Для подтверждения данного факта был проведен эксперимент. Одновременно совершили три действия: разрезали апельсин, опустили в стакан пакетик чая и на срез сырой картофелины насыпали несколько кристалликов марганцовки. В результате наблюдений было установлено, что запах апельсина распространился по комнате за несколько секунд, немногим более потребовалось времени для того, чтобы чай окрасил воду, а молекулы перманганата калия только на несколько миллиметров диффундировали в картофель за пару часов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что диффузия протекает быстрее в газах, чуть медленнее в жидкостях и очень медленно в твердых 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.

Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры . Обратимся к опыту. В два стакана налили воду, но в один холодную, а в другой – горячую. Опустили одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул. Поэтому прежде чем сделать укол пациенту, холодный раствор с инъекцией врач немного нагревает до температуры, близкой к температуре человека.
§2 Осмос и диализ - формы проявления диффузии

В мире живых организмов диффузия проявляется в двух формах - диализе и осмосе. Диализом называется диффузия молекул растворенного вещества, а осмосом - диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану.

Основную роль для диффузионных процессов в живых организмах играют мембраны, находящиеся на поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей и обладающие избирательной проницаемостью. Прохождение вещества через мембрану зависит от размеров и некоторых других физических свойств молекул растворителя, а также от свойств самой мембраны.

Если мешочек из пергамента заполнить раствором сахара или соли и поместить в сосуд с водой, то молекулы растворённого вещества будут диффундировать через стенки мешочка, пока их концентрация в мешочке и в сосуде с водой не станет одинаковой. В этом случае мы можем говорить, что поры мембраны достаточно велики для прохождения через них молекул растворенного вещества. Этот метод – диализ – часто применяют для получения чистых препаратов белков и других соединений.

Диализ также используется в аппарате «искусственная почка». Аппарат представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. 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 солевой раствор, обогащенный газовой смесью CO 2 + О 2 .Аппарат подключается к кровеносной системе больного с помощью катетеров. Диализ продолжается 4-6 ч. Этим достигается очистка крови от азотистых шлаков при недостаточной функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава крови.

Если взять мешочек с более мелкими порами, пропускающими только молекулы растворителя, (например, воды), но не пропускающими молекул сахара, то молекулы воды будут диффундировать в мешочек, увеличивая объём раствора в нем. В этом случае мы говорим об осмосе. Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748 , однако исследование этого явления было начато спустя столетие. Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Осмос сохраняет внутри клетки белки, столь важные для биологических процессов живых организмов.

Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. 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 и инертные газы.

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 также 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. Благодаря диффузии растение получает минеральные вещества и воду из почвы.

Без этого явления не было бы и животного мира. Диффузия влияет не только на физиологические процессы, происходящие в организме животных: таких как, например, регуляция солевого баланса. Благодаря диффузии они находят себе пищу. Акулы, например, чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.

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. Чтобы изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость испарения воды и сделать вывод о скорости протекания диффузии, был проделан следующий опыт.

В тарелки была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры (37 градуса), затем в одну тарелку был налит бензин (5 мл), во вторую – керосин (5мл), в третью – растительное масло (5 мл), в четвертой вода оставалась чистой. Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 15 минут снимались показания термометров, помещенных во все жидкости. Результаты измерений зафиксированы в таблице.

При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая пленкой бензина, керосина и растительного масла, остывает медленнее, 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.

Таким образом, наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.

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.

На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. Мы можем защитить себя от многих болезней путем приема лекарств, которые усваиваются организмом тоже благодаря диффузии.

Диффузия находит широкое применение в различных сферах деятельности человека. На этом явлении основана диффузионная сварка металлов. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.

Явление диффузии используется также для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.

Человек научился использовать свойства диффузии и для обеспечения собственной безопасности. 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.
§5 Вредное проявление диффузии

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. Загрязнение водоемов приводит к тому, что в них исчезает жизнь. 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.

Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, выхлопными газами, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений.

Заключение

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод о том, что явление диффузии является одним из главных общих условий жизнедеятельности растений, животных и человека. Без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.

Человеку нет необходимости что–то специально делать для улучшения протекания явления диффузии в живой природе. Просто надо исключить загрязнение окружающей среды своей деятельностью, так как по вине человека это явление играет заметную роль в загрязнении рек, морей и океанов, почвы и атмосферы Земли.

В пламени Солнца, в жизни и смерти далёких звезд, в воздухе, которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии.

Список литературы

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

2. Перышкин А.В.Физика 7 класс. – М.: Дрофа, 2005. – 189 с.

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

4. Рыженков А. П.Физика Человек Окружающая среда. - М.:Просвещение,1996. – 48 с.

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

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

7. http://www.Wikipedia.org

страница 1

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

1. 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:

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

Задачи:

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

Основные методы работы :

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

Методы исследования :

1. Изучение, анализ и синтез литературных и других информационных источников;
2. Наблюдение;
3. Анализ информации и результатов;
4. Сравнение;
5. Проведение экспериментов;
6. 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.

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.

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:

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

1. Алексеев С.В., Груздева М.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии. М. АО МДС, 1996 г.
2. Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. М. Просвещение,1996
3. 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»

Несколько слов о пищеварении человека Наибольшее всасывание питательных веществ происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 квадратных метра. Она покрыта ворсинками - микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2-1 мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4-5 квадратных метра, т.е. достигает в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. Процесс всасывания питательных веществ в кишечнике возможен благодаря диффузии.

Дыхание - перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы - происходит тем быстрее, чем больше площадь поверхности тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У более крупных организмов дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, что покровы чрезвычайно тонки (земноводные); при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам - максимум поверхности и минимум толщины, высокая увлажненность покровов. Первое достигается многочисленными разветвлениями или складками (легочные альвеолы, бахромчатая форма жабр).

А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела - от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Р1нтересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28% а выделяться углекислого газа даже на 54% больше, чем в легких. Однако во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с легкими, так как общая площадь поверхности легких, если развернуть все 700 млн. альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100 квадратных метров а общая площадь поверхности кожи человека около 2 квадратных метров, т.е, в 45-50 раз меньше.

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);

Говоря о значении осмоса для живых организмов, мы не можем не остановиться на плазмолизе.

Плазмолиз.

Если концентрация солей в жидкости, омывающей клетку, выше, чем в клеточном соке, как, например, при погружении листа салата в концентрированный солевой раствор, то вода клеточного сока диффундирует из клетки, перемещаясь из зоны с большей концентрацией воды в зону с меньшей ее концентрацией, Наконец, содержимое клетки теряет способность оказывать давление на клеточную стенку, иными словами, тургорное давление снижается до нуля и салат увядает (демонстрация). Когда в результате потери воды объём клеточного сока уменьшается, цитоплазма клетки не оказывается больше прижатой к целлюлозной клеточной стенке. Вместо этого цитоплазма отстает от клеточной стенки, претерпевая процесс плазмолиза. Растительные клетки, слишком долго находящиеся в солевом растворе высокой концентрации, погибают. Если же после кратковременного содержания в таком растворе клетки перенести в чистую воду, то они могут восстановить свою тургенцентность.

Тургорное давление делает растительную клетку твердой, способной восстанавливаться после деформации под действием какой-либо внешней силы.

Плазмолиз является обратимым процессом. Обратный ему процесс называется деплазмолизом, это свойство плазматической мембраны.

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.

Кроме широкого проявления диффузии в жизни живых организмов применяется в повседневной жизни и промышленности.

Если два вещества разделены полупроницаемой перегородкой (мембраной), диффузия протекает в одном направлении. Это явление называется осмосом.

Осмос от греческого - толчок, давление. При осмосе происходит выравнивание концентраций раствора по обе стороны мембраны, пропускающей малые молекулы растворителя, но не пропускавшей более крупные молекулы растворенного вещества. Осмос протекает от чистого растворителя к раствору или от разбавленного раствора к концентрированному. Впервые осмос наблюдал французский химик Нолле в 1748 г.

Перенос молекул растворителя обусловлен осмотическим давлением или диффузионным. Это термодинамический параметр, характеризующий стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем.

Осмотическое давление обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворенного вещества. Осмотическое давление в предельно разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворенных веществ; при постоянной температуре оно определяется только числом частиц. Первые измерения осмотического давления произвел немецкий ботаник Пфеффер в 1877 г., исследуя водные растворы сахара.

Растворы с одинаковым осмотическим давлением называют изоосмотическими. Так, различные кровезаменители и физиологические растворы изоосмотичны относительно внутренних жидкостей организма. Если один раствор в сравнении с другим имеет более высокое осмотическое давление, его называют гипертоническим, а имеющий более низкое осмотическое давление - гипотоническим,