Определение 1
Диффузия тела (рассеивание) является процессом, способствующим взаимному проникновению молекул (атомов) одного вещества между такими же частицами другого. В конечном итоге это будет выражаться в самопроизвольном выравнивании их концентраций по всему занимаемому объёму.
Бывают примеры, когда у одного из веществ уже присутствует выровненная концентрация и подразумевается диффузия одного вещества в другом. При этом перенос вещества будет осуществляться из области с высокой концентрацией в область с более низкой (то есть, в противоположном от направления вектора градиента концентрации).
Примеры диффузии тел
Диффузия может быть применима к телам жидкого, твердого или газообразного типа. В качестве ярких примеров диффузии тел выступают:
- перемешивание газов (это может относиться, например, к распространению запахов);
- перемешивание жидкостей (при попадании капли чернил в воду она полностью окрасится в этот цвет);
- перемешивание на примере твердых тел (атомы соприкасающихся друг с другом металлов будут перемешиваться на границе соприкосновения).
Существенное значение диффузия частиц будет иметь в физике плазмы. Сама скорость протекания диффузии будет зависимой от множества факторов. В случае металлического стержня, например, тепловая диффузия осуществляется на очень большой скорости. При условии изготовления стержня из синтетического материала, будет фиксироваться медленная скорость диффузии.
Еще более медленно процесс диффузии наблюдается в отношении одного твердого вещества в другое. При условии, что медь покрыта золотом, например, мы наблюдаем диффузию золота в медь. В то же время, при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре уже фиксируется очень медленный по времени процесс достижения золотосодержащего слоя толщины в несколько микронов (через тысячи лет).
Еще одним примером диффузии тел может быть наложении свинцового слитка на золотой. В результате, за период в 5 лет под весом свинца, золотой слиток прогнется на один сантиметр, что свидетельствует о проникновении одного тела в другое.
Поверхностная диффузия тел
Замечание 1
Поверхностная диффузия тел считается процессом, связанным (как и при объемной диффузии) с перемещением самих частиц (кластеров, молекул или же атомов), который выполняется на поверхности конденсированных тел в пределах первого поверхностного атомного (молекулярного) слоя или поверх этого слоя.
Способностью перемещений, благодаря поверхностной диффузии, обладают:
- атомы, которые находятся в составе самого твёрдого тела;
- адсорбированные частицы в виде кластеров, молекул или атомов.
Как правило, подвижность поверхностных частиц активизируется, благодаря воздействию случайных тепловых флуктуаций (обычно это могут быть молекулы или атомы). При условии присутствия градиента концентрации (поверхностная концентрация) случайное блуждание большого количества частиц спровоцирует их усредненное диффузионное движение в противоположном градиенту направлении.
На процесс диффузии воздействие оказывают разные факторы:
- взаимодействие диффундирующих частиц;
- формирование поверхностных фаз (реконструкций);
- присутствие дефектов различного характера и др.
Поверхностная диффузия становится определяющей для процессов увеличения тонких плёнок, а также формирования наноструктур на поверхности спекания керамики.
Процесс диффузии в твердых телах
В условиях комнатной температуры, мы обычно не наблюдаем проявление диффузии в твердых телах. Очень тонкое по своей структуре покрытие одного металла другим будет сохраняться продолжительное время в практически неизменном состоянии.
При этом, если температура зафиксирована в несколько сот градусов, покрытия уже не будут сохраняться: диффузия провоцирует проникновение атомов покрытия вглубь подложки с заметной скоростью. Такое обстоятельство может применяться, например, в полупроводниковой технике с целью введения в полупроводник специальных легирующих примесей при условии температуры в несколько сотен градусов.
Механизм процессов диффузии в твердых телах лучше понимается при использовании информации об их кристаллической структуре. В состоянии равновесия атомы твердого тела осуществляют тепловые колебательные движения рядом с узлами кристаллической решетки. Все узлы такой решетки в идеальной структуре твердого тела оказываются совершенно равнозначными, а сам процесс диффузии становится невозможным. Наряду с тем, в реальном кристалле будет присутствовать (при заданной температуре) определенное число термических дефектов, проявляемых в виде нарушений кристаллической решетки.
В ситуации с повышением температуры кристалла, наблюдается возрастание равновесных концентраций вакансий, а также межузельных атомов, а в условии понижения температуры, начнет исчезать на стоках часть дефектов. Роль подобных стоков могут выполнять некоторые другие дефекты решетки, например, дислокации.
При таком дефекте структуры кристаллической решетки механизм диффузии в твердом теле становится понятным. Пусть в соседстве с расположенным в узле решетки атомом будет располагаться вакантный узел (дырка).
В таком случае колебательное движение атомов может спровоцировать перескакивание атома из узла решетки в вакантный узел на основании «вакансионного механизма диффузии». В отсутствие внешних сил процесс диффузии будет определяться неравновесной характеристикой образца (градиент температур, например). Каждой температуре при этом будет соответствовать определенное равновесное количество дырок:
$n_д = exp\left(\frac{-E_д}{kT}\right)$ где $E_д$ - энергия, требуемая для образования одной дырки.
При всех температурах, которые ниже точки плавления, равновесное количество дырок оказывается намного меньше, чем число в кристаллической решетке узлов, т.е.
$\frac{n_д}{N} = 1$
Рассмотрим случай воздействия на кристалл внешней силы (т.е. ионный кристалл в электрическом поле. Связь ионной электропроводности и коэффициента диффузии будет определять соотношение Эйнштейна:
$D = f\frac{\sigma kT}{Nq^2}$, где:
- $f$ - поправочный множитель;
- $N$ -концентрация ионов.
Вышеуказанное соотношение понимается таким образом: при наложении электрического поля, а также присутствия градиента концентрации ионов в кристалле возникнет ток плотности:
$\sigma = {qN(x)B_и}$, где:
- $\sigma$ - удельная электропроводность;
- $B_и$ - подвижность ионов.
При условии статистического равновесия полный ток равнозначен нулю.
$E = \frac{-dU}{dx}$
где $U$ - потенциал электрического поля, при равновесии
${-qN(x)B_и}\frac{dU}{dx} = {qD}\frac{dN}{dx}$
Таким образом,
$D = {B_и}\frac{kT}{q} = \frac{\sigma kT}{Nq^2}$
При этом в ионных кристаллах наблюдается отступление от простого соотношения коэффициента диффузии и удельной электропроводности. Именно по этой причине в соотношении будет содержаться поправочный множитель $f$. Так, при диффузии путем замещения вакансий коэффициент диффузии меченого атома будет зависимым от корреляции его скачков.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике . Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.
С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.
Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике.
Цель:
доказать, что диффузия зависит от температуры;
рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах;
убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по-разному.
Рассмотреть тепловую диффузию веществ.
Задачи исследования:
Изучить научную литературу по теме «Диффузия».
Доказать зависимость скорости диффузии от рода вещества, температуры.
Изучить влияние явления диффузии на окружающую среду и человека.
Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по диффузии.
Методы исследования:
Анализ литературы и материалов интернета.
Проведение опытов по изучению зависимости диффузии от рода вещества и температуры.
Анализ результатов.
Предмет исследования: явление диффузии, зависимость протекания диффузии от различных факторов, проявление диффузии в природе, технике, быту.
Гипотеза: диффузия имеет большое значение для человека и природы.
1.Теоретическая часть
1.1.Что такое диффузия
Диффузия - это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного) движения молекул.
Еще одно определение: диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией .
Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).
Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.
Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.
1.2. Роль диффузии в природе
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния . Если посмотреть на дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей, во многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда-то исчезает. Дым растворяется в воздухе за счет диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.
Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации . Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка (рис 1).
Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы - тропосфера - состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды . При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним - кислород, выше - азот, инертные газы (рис 2).
В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака - тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…» (рис 3)
На принципе диффузии основано перемешивание пресной волы с солёной при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.
Диффузия играет большую роль в жизни растений и животных. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости и узнают дорогу домой (рис 4)
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчёлы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьёт воду, получает из почвы различные микродобавки .
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи (рис 5).
Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума (рис 6).
Уже было отмечено, что есть много общего в значении явления диффузии для жизнедеятельности растений и животных. Прежде всего, следует отметить роль диффузионного обмена через поверхность растений в выполнении функции дыхания. Для деревьев, например, наблюдается особенно большое развитие поверхности(листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию дыхания. К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, - везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия» (рис 7).
Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови - в ткани.
В научной литературе я изучила процесс односторонней диффузии - осмос, т.е. диффузия веществ через полупроницаемые мембраны. Процесс осмоса отличается от свободной диффузии тем, что на границе двух соприкасающихся жидкостей расположено препятствие в виде перегородки (мембраны), которая проницаема только для растворителя и вовсе не проницаема для молекул растворенного вещества (рис 8).
В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому вода проникает в зерно и дает жизнь растению.
1.3. Роль диффузии в быту и технике
Диффузия используется во многих технологических процессах: засолка, получение сахара (стружка сахарной свёклы промывается водой, молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор), варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей, цементация, сварка и пайка металлов, в том числе диффузионная сварка в вакууме (свариваются металлы, которые другими методами соединить невозможно, - сталь с чугуном, серебро с нержавеющей сталью и т.д.) и диффузионная металлизация изделий(поверхностное насыщение стальных изделий алюминием, хромом, кремнием), азотирование - насыщение поверхности стали азотом (сталь становится твёрдой, износоустойчивой), цементация - насыщение стальных изделий углеродом, цианирование -насыщение поверхности стали углеродом и азотом .
Распространение запахов в воздухе - наиболее часто встречающийся пример диффузии в газах. Почему же запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время? Дело в том, что во время движения в определенном направлении молекулы пахучего вещества сталкиваются с молекулами воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения.
2. Практическая часть
Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас! Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Именно для этого я решила провести ряд экспериментов, в ходе которых попыталась выяснить, действительно ли теория диффузии справедлива, находит ли она свое подтверждение на практике. Любую теорию можно считать достоверной лишь в том случае, если она многократно подтверждается экспериментально.
Опыт №1 Наблюдение явления диффузии в жидкостях
Цель : изучить диффузию в жидкости. Пронаблюдать растворение кусочков перманганата калия в воде, при неизменной температуре (при t = 20°С)
Приборы и материалы :стакан с водой, термометр, перманганат калия.
Я взяла кусочек перманганата калия и два стакана с чистой водой при температуре 20 °С. Положила в стаканы кусочки перманганата калия и начала наблюдать за происходящим. Через 1 минуту вода в стаканах начинает окрашиваться.
Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ марганцовки.
В первом стакане я не перемешивала раствор, а во втором перемешала. Перемешивая воду (взбалтывая), я убедилась, что процесс диффузии происходит гораздо быстрее (2 минуты)
Цвет воды в первом стакане становится более интенсивным по истечении времени. Молекулы воды проникают между молекулами перманганата калия, нарушая силы притяжения. Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества. Процесс растворения марганцовки закончился. Время прохождения эксперимента 3 часа 15 минут. Вода полностью окрасилась в малиновый цвет (рис 9-12).
Можно сделать вывод, что явление диффузии в жидкости - это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.
Я захотела выяснить, от чего еще зависит скорость протекания диффузии.
Опыт №2 Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры
Цель: изучить, как температура воды влияет на скорость протекания диффузии.
Приборы и материалы: термометры - 1 шт, секундомер - 1 шт, стаканы - 4 шт, чай, перманганат калия.
(опыт приготовления чая при начальной температуре 20°С и при температуре 100° С в двух стаканах).
Взяли два стакана с водой при t=20 °С и t=100 °С. На рисунках показано протекание эксперимента через определенное время от начала: в начале эксперимента - рис.1, через 30 с. - рис.2, через 1 мин. - рис.3, через 2 мин. - рис.4, через 5 мин. - рис 5, через 15 мин. - рис.6. Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии (рис 13-17).
Те же результаты я получила, когда вместо чая взяла 2 стакана с водой. В одном из них была вода комнатной температуры, во втором кипяток.
Я опустила в каждый стакан одинаковое количество перманганата калия. В том стакане, где температура воды была выше, процесс диффузии протекал значительно быстрее (рис.18-23.)
Следовательно скорость диффузии зависит от температуры - чем выше температура, тем интенсивнее происходит диффузия.
Опыт № 3 Наблюдение диффузии с применением химических реактивов
Цель: Наблюдение явления диффузии на расстоянии.
Оборудование: вата, нашатырный спирт, фенолфталеин, пробирка.
Описание опыта: Нальём в пробирку нашатырный спирт. Смочим кусочек ваты фенолфталеином и положим сверху в пробирку. Через некоторое время наблюдаем окрашивание ватки (рис 24-26).
Нашатырный спирт испаряется; молекулы нашатырного спирта проникли к ватке, смоченной фенолфталеином, и та окрасилась, хотя ватка в соприкосновение со спиртом не приводилась. Молекулы спирта перемешались с молекулами воздуха и достигли ватки. Данный опыт демонстрирует явление диффузии на расстоянии.
Опыт №4. Наблюдение явления диффузии в газах
Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.
Приборы и материалы : секундомер, духи, термометр
Описание опыта и полученные результаты :я исследовала время распространения запаха духов в кабинете V=120м 3 при температуре t = +20 0 . Засекалось время от начала распространения запаха в комнате, до получения явной чувствительности у людей, стоящих на расстоянии 10 м. от исследуемого объекта (духи). (рис 27-29)
Опыт №5 Растворения кусочков гуаши в воде, при неизменной температуре
Цель:
Приборы и материалы: три стакана, вода, гуашь трех цветов.
Описание опыта и полученные результаты:
Взяли три стакана, набрали воды t =25 0 С, бросили одинаковые кусочки гуаши в стаканы.
Начали наблюдать за растворением гуаши.
Фотографии сделаны через 1 минуту, 5 минут, 10 минут, 20 минут, растворение закончилось через 4 часа 19 минут (рис 30-34)
Опыт №6 Наблюдение явления диффузии в твердых телах
Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.
Приборы и материалы: яблоко, картофель, морковь, раствор «зеленки», пипетка.
Описание опыта и полученные результаты:
Разрезаем яблоко, морковь, картофель «капаем зеленкой» на одну из половинок.
Наблюдаем, как пятно расплывается по поверхности
Разрезаем по месту соприкосновения с зеленкой, чтобы посмотреть насколько глубоко она проникла внутрь (рис 35-37)
Как провести опыт, чтобы подтвердить гипотезу о возможности протекания диффузии в твердых телах? Возможно ли перемешивание веществ в таком агрегатном состоянии? Скорей всего, ответ «Да». Но наблюдать диффузию в твердых телах (очень вязких) удобно с использованием густых гелей. Таким является плотный раствор желатина. Его можно приготовить следующим образом: 4-5 г сухого пищевого желатина растворить в холодной воде. Желатин сначала должен несколько часов набухать, а затем его полностью растворяют при помешивании в воде объемом 100 мл, опустив в сосуд с горячей водой. После охлаждения получается 4-5 % раствор желатина.
Опыт № 7 Наблюдение диффузии с применением густых гелей
Цель: Наблюдение явления диффузии в твердых телах (с применением густого раствора желатина).
Оборудование: 4%-ный раствор желатина, пробирка, небольшой кристаллик марганцовки, пинцет.
Описание и результат опыта: Раствор желатина поместить в пробирку, в центр пробирки быстро, одним движением ввести пинцетом кристаллик марганцовки.
Кристаллик марганцовки в начале опыта
Расположение кристаллика в пузырьке с раствором желатина через 1,5 часа
Уже через несколько минут вокруг кристаллика начнет расти окрашенный в фиолетовый шарик, со временем он становится все больше и больше. Это означает, что вещество кристаллика распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью (рис 38-39)
В твердых телах диффузия происходит, но значительно медленнее чем, в жидкостях и газах.
Опыт № 8 Разница температур в жидкости - тепловая диффузия
Цель: Наблюдение явления тепловой диффузии.
Оборудование: 4 одинаковых стеклянных сосуда, 2 цвета краски, горячая и холодная вода, 2 пластиковые карточки.
Описание и результат опыта:
1. Добавляем немного красной краски в сосуд 1 и 2, синюю краску в сосуды 3 и 4.
2. Наливаем горячую воду в сосуды 1 и 2.
3. Наливаем холодную воду в сосуды 3 и 4.
4. Сосуд 1 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 4.
5. Сосуд 3 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 2.
6. Удаляем обе карты.
Этот опыт демонстрирует эффект тепловой диффузии. В первом случае горячая вода оказывается поверх холодной и диффузия не происходит до тех пор, пока температуры не сравняются. А во втором случае наоборот, внизу горячая, а вверху холодная. И во втором случае молекулы горячей вода начинают стремиться вверх, а молекулы холодной - вниз (рис 41-44).
Заключение
В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных.
В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что продолжительность диффузии зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.
Я изучила явление диффузии на примере различных веществ.
Скорость протекания зависит от рода вещества: в газах она протекает быстрее, чем в жидкостях; в твердых телах диффузия протекает значительно медленнее.Это утверждение можно объяснить так: молекулы газов свободны, находятся на расстояниях много больше размеров молекул, двигаются с большими скоростями. Молекулы жидкостей расположены также беспорядочно, как и в газах, но значительно плотнее. Каждая молекула, находясь в окружении соседних молекул, медленно перемещается внутри жидкости. Молекулы твердых веществ совершают колебания около положения равновесия.
Существует тепловая диффузия.
Список используемой литературы
Генденштейн, Л.Э. Физика. 7 класс. Часть 1 / Л.Э. Генденштейн, А.Б, Кайдалов. - М: Мнемозина, 2009.-255 с.;
Кириллова, И.Г. Книга для чтения по физике для учащихся 7 классов средней школы / И.Г. Кириллова.- М.,1986.-207 с.;
Ольгин, О. Опыты без взрывов / О. Ольгин.- М.: Химик, 1986.-192 с.;
Перышкин, А.В. Учебник по физике 7 класс / А.В. Перышкин.- М., 2010.-189 с.;
Разумовский, В.Г. Творческие задачи по физике / В.Г. Разумовский.- М.,1966.-159 с.;
Рыженков, А.П. Физика. Человек. Окружающая среда: Приложение к учебнику физики для 7-го класса общеобразовательных учреждений / А.П. Рыженков.- М.,1996.- 120 с.;
Чуянов, В.А. Энциклопедический словарь юного физика / В.А. Чуянов.- М., 1984.- 352 с.;
Шабловский, В. Занимательная физика / В. Шабловский. С.-П., Тригон, 1997.-416 с.
Приложение
рисунок 1
рисунок 2
рисунок 3
рисунок 4
рисунок 5
рисунок 6
рисунок 7
Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану,
частицы растворённого вещества (красные) — нет.
рисунок 8
рисунок 9
рисунок 10
рисунок 11
рисунок 12
рисунок 13
рисунок 14
рисунок 15
рисунок 16
рисунок 17
рисунок 18
рисунок 19
рисунок 20
рисунок 21
рисунок 22
рисунок 23
рисунок 24
рисунок 25
рисунок 26
рисунок 27
рисунок 28
рисунок 29
рисунок 30
рисунок 31
рисунок 32
рисунок 33
рисунок 34
рисунок 35
рисунок 36
Цели урока:
Обучающие: закрепить знания учеников по заданной теме, научить их понимать и описывать поведение молекул вещества в различных агрегатных состояниях, объяснить значение процесса диффузии в природе и жизни человека.
Воспитательные: продолжить формирование у учащихся способности к научному мышлению.
Образовательные: привить ученикам умение сопоставлять увиденные в природе явления с полученными знаниями о различных физических законах.
Основные термины:
Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.).
Диффузия
Понятие агрегатного состояния вещества.
Мир, окружающий нас, сложен и изменчив. В то же время, мы способны заметить, что безграничное разнообразие мира – не такое уж и безграничное. Мы часто видим одни и те же вещества в различных состояниях.
Самый простой пример, на котором я смогу доказать правдивость своих слов – это вода. Ее проще всего увидеть в разных состояниях – это пар, или туман, это лед или снег, это жидкость, бегущая из-под крана в кухне. Какими бы ни были особенности воды в той или иной форме, она всегда остается водой – ее состав не меняется. Это все те же 2 молекулы водорода и 1 молекула кислорода .
Если и дальше использовать взятый нами пример, то мы можем проследить, что эти 3 состояния воды зависят от определенных внешних условий. Так, вода замерзает при 0 градусов, превращаясь в лед, и вода закипает при 100 градусах, превращаясь в пар. Вот эта фотография наглядно демонстрирует все 3 состояния воды:
Рис. 1: 3 агрегатные состояния воды
Итак, какие же выводы мы можем сделать, хорошенько подумав о приведенном нами примере? Они будут такими:
Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.) при определенных условиях.
Не только вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это присуще всем веществам.
Иногда к трем вышеперечисленным агрегатным состояниям, добавляют еще и четвертое – плазму. О том, как выглядит плазма, вы пожжете получить представление из следующего рисунка:
Рис. 2: плазменная лампа
но о плазме более подробно вы узнаете на уроках физики и химии в старших классах.
Процесс диффузии
Как все мы уже успели узнать, все вещества состоят из мельчайших частичек – ионов, атомов, молекул, которые пребывают в постоянном движении. Именно это движение и становится причиной, по которой возникает процесс диффузии.
Диффузия - это процесс, заключающийся во взаимном проникновении молекул веществ в промежутки между молекулами в других веществах.
Давайте более подробно рассмотрим диффузию в различных агрегатных состояниях.
Диффузия в газах
Давайте вместе приведем примеры процесса диффузии в газах. Варианты проявления этого явления могут быть таковыми:
Распространение запаха цветов;
Слезы из-за нарезания лука;
Шлейф духов, который можно почувствовать в воздухе.
Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.
Давайте посмотрим видео, демонстрирующее этот процесс:
Диффузия в жидкостях.
Частички веществ в жидкостях, а это чаще всего ионы веществ, взаимодействуют между собой достаточно сильно. В то же время, расстояние между ионами достаточно большое, что позволяет частичкам легко смешиваться.
На следующей видео картинке видно, как проходит процесс диффузии в жидкостях. Частички краски, попадая на поверхность воды, легко диффундируют, то есть – проникают в воду.
Рис. 3: частички краски распространяются в воде.
Этот же процесс, но уже в динамике, вы можете наблюдать на видео на примере растворения кристаллов перманганата калия:
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.
Давайте посмотрим видео об этом:
Узнав об особенностях протекания процесса диффузии в различных агрегатных состояниях, мы увидели, что процесс не одинаково быстр. От чего же зависит скорость диффузии? Один из ответов на этот вопрос у нас уже есть – скорость протекания процесса диффузии зависит от агрегатного состояния вещества.
Мы с вами также знаем, что частички веществ начинают двигаться быстрее с увеличением температуры. Значит ли это, что и процесс диффузии будет ускоряться при повышении температуры? Ответ очевиден. Для подтверждения давайте просмотрим видео:
Интенсивность диффундирования одного вещества в другое также зависит и от концентрации этих веществ, и от внешних воздействий (например, если просто капнуть раствор йода в воду и если его еще и перемешать, то скорость приобретения раствором однородного цвета будет разной).
Выводы
1.Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.) при определенных условиях. Не только вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это присуще всем веществам.
2.Диффузия - это процесс, заключающийся во взаимном проникновении молекул веществ в промежутки между молекулами в других веществах.
3.Скорость диффузии зависит от: температуры, концентрации, внешних воздействий, агрегатного состояния вещества.
Трудно переоценить процесс диффузии в жизни человека. Например, проникновение кислорода через тончайшую стенку альвеол в капилляры легких осуществляется именно благодаря диффузии. Стенки альвеол очень тонкие, с физической точки зрения, альвеолярная стенка – это полупроницаемая мембрана. Концентрация кислорода в атмосферном воздухе гораздо выше его концентрации и капиллярной крови, вот потому кислород и поникает сквозь полупроницаемую мембрану – туда, где его меньше. Благодаря диффузии мы дышим.
Также этот процесс частично обеспечивает проникновение питательных веществ из пищеварительной системы в кровь и действие многих лекарств.
На рисунке схематически показано, как всасываются питательные вещества в кишечнике человека.
Рис. 4: тонкий кишечник млекопитающего
Список литературы
Урок на тему: «Диффузия в газах, жидкостях, твердых телах», автор Селезнева А. М., МОУ СОШ №7 г. Боярка, Киевской обл.
Перышкин А. В. «Физика 7-й класс», Москва, Дрофа, 2006 г.
Родина Н. А., Громов С. В., «Физика», М., Мир, 2002 г.
Отредактировано и выслано Борисенко И.Н .
Над уроком работали:
Многочисленные опыты показывают, что молекулы всех тел непрерывно движутся. Рассмотрим один из них.
В стеклянный сосуд наливают водный раствор медного купороса. Этот раствор имеет темно-голубой цвет, он тяжелее воды. Поверх раствора в сосуд очень осторожно, чтобы не смешать жидкости, наливают чистую воду. В начале опыта видна резкая граница раздела между водой и раствором медного купороса.
Сосуд оставляют в покое и продолжают наблюдать за границей раздела жидкостей. Через несколько дней обнаруживают, что граница раздела расплылась. Недели через две граница, отделявшая одну жидкость от другой, исчезает, в сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета (см. цветную вклейку I, внизу ). Значит, жидкости перемешались.
Явление, при котором вещества сами собой смешиваются друг с другом, называют диффузией.
Это явление объясняют так (рис. 16). Сначала обмениваются местами вследствие своего движения отдельные молекулы воды и медного купороса, находящиеся около границы раздела этих жидкостей . Граница становится расплывчатой, так как молекулы медного купороса попадают в нижний слой воды и, наоборот, молекулы воды попадают в верхний слой раствора медного купороса. Затем часть этих молекул обменивается местами с молекулами, лежащими в следующих слоях. Граница раздела жидкостей становится еще более расплывчатой. Так как молекулы движутся непрерывно и беспорядочно, то этот процесс приводит к тому, что вся жидкость в сосуде становится однородной.
В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях. Если в комнату внести какое-нибудь пахучее вещество, например нафталин, то очень скоро его запах будет ощущаться во всей комнате. Значит, всюду проникают молекулы нафталина - происходит диффузия. Молекулы нафталина, сталкиваясь с молекулами воздуха и двигаясь во все стороны беспорядочно, разлетаются по комнате во всех направлениях.
Явление диффузии происходит и в твердых телах, но очень медленно. В одном из опытов гладко отшлифованные пластины свинца и золота положили одна на другую и сжали грузом. При обычной комнатной температуре (около 20° С) за 5 лет золото и свинец срослись, взаимно проникнув друг в друга на расстоянии 1 мм. Получился тонкий слой из сплава золота со свинцом.
Диффузия имеет большое значение в жизни человека и животных. Так, например, кислород из окружающей среды благодаря диффузии проникает внутрь организма через кожу человека. Питательные вещества благодаря диффузии проникают из кишечника в кровь животных.
Диффузия происходит и при спайке металлических деталей.
Вопрос. 1. Что такое диффузия? Опишите опыт, в котором наблюдают диффузию жидкостей. 2. Как объясняется диффузия с точки зрения молекулярного строения вещества? 3. При каких процессах и как происходит диффузия в организме человека и животных?
Упражнение. 1. На каком явлении основана засолка огурцов, капусты, рыбы и других продуктов? 2. В воде рек, озер и других водоемов всегда содержатся молекулы газов, входящих в состав воздуха. Благодаря какому явлению попадают эти молекулы в воду?_ Почему они проникают до дна водоема? Опишите, как происходит при этом перемешивание воздуха с водой. 1 2 3
Задание. 1. Налейте в стакан холодной воды и опустите на дно его кусочек марганцовки. Не перемешивая воду, определите, через какое время молекулы марганцовки попадут в верхний слой воды. Объясните наблюдаемое явление. 2. Налейте в два стакана по одинаковому количеству воды. Один из них поставьте в теплое место, другой - в холодное (в холодильник, за окно, в сени ). Через некоторое время опустите на дно каждого стакана по кусочку грифеля от «химического» карандаша (или крупинку марганцовки). Поставьте стаканы на прежние места. Утром и вечером отмечайте положение границы окрашенной и чистой воды в этих двух стаканах. На основании проделанного опыта сделайте соответствующий вывод. 3. Прочтите в конце учебника параграф «Броуновское движение».