Экспериментально- исследовательская работа: " Диффузия в природе и жизни человека"

ХVIII МУНИЦИПАЛЬНАЯ НАУЧНО ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
ОБУЧАЮЩИХСЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ ЗАТО
АЛЕКСАНДРОВСК «С МЕЧТОЙ О БУДУЩЕМ»

Диффузия в природе и жизни человека

Автор:

Яковенко Карина Дмитриевна

учащаяся 7 «В» класса МБОУ «СОШ №266

 ЗАТО   Александровск» г. Снежногорск

Научный руководитель:

Яковенко Марина Викторовна,

учитель географии и истории МБОУ «СОШ №266

ЗАТО   Александровск» г. Снежногорск

ЗАТО Александровск

2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. Основная часть.

Введение………………………………………………………………………………………..

Глава 1. Диффузия и история ее открытия…………………………………………………..

Глава 2. Осмос и диализ - формы проявления диффузии……………………………………

Глава 3. Роль диффузии в природе и вредное проявление  на природу, и процессы протекающие в ней......................................................................................................................

Глава 4. Влияние диффузии на жизнедеятельность человека……………………………….

Глава 5. Роль диффузии в быту и технике  .......... ……………………………………………

II. Практическая часть.

Опыт №1 Наблюдение явления диффузии в жидкостях.........................................................

Опыт №2 Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры............

Опыт №3 Влияние различных веществ на поверхности воды на процесс диффузии.........

Опыт №4 Влияние различных веществ на окрашивание цветов..........................................

Опыт № 5 Диффузное перемешивание жидкостей.................................................................

Заключение……………………………………………………………………………………..

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

Приложение 1…………………………………………………………………………………..

Приложение 2……………………………………………………………………………………

Приложение 3……………………………………………………………………………………

Приложение 4……………………………………………………………………………………

Приложение 5……………………………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Явление диффузии мы наблюдаем каждый день: завариваем пакетик чая, приготавливаем красящий раствор, когда душимся духами, стираем белье. И даже когда сгорает что-то на плите, а запах чувствуется по всему дому, мы вновь сталкиваемся с явлением диффузии.

Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике. Однако  не у всех людей есть достаточное представление  о протекании этого явления.

Актуальность работы заключается 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.

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

       Задачи:

1. Изучить материал о процессе диффузия, ее  роли и истории открытия.

2. Познакомится с формами проявления диффузии – осмос и диализ.

3. Использование диффузии в технологических процессах.

4. Провести разные виды  исследования, характеризующие закономерности протекания диффузии.

5. Проанализировать полученную информацию  и сделать выводы.

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

Методы:

1.Изучение литературных и других информационных источников.

2.Анализ и обработка материала.

3.Проведение экспериментов.

Глава 1. Диффузия и история ее открытия

Диффузия (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого.

История открытия: при наблюдении в микроскопе взвеси цветочной пыльцы в воде Роберт Броун наблюдал хаотичное движение частиц. Видимые только под микроскопом взвешенные частицы размером 1 мкм и менее совершали неупорядоченные независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории. Таким образом, диффузия - это беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды; открыто Р. Броуном в 1827 г (Приложение 1).

Описывая данное явление можно привести следующий пример: разбрызгать в углу класса дезодорант. Распространение запаха объясняется движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы дезодоранта много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.

Условия, ускоряющие диффузию:

1. Температура. Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Провели следующий эксперимент: в двух стаканах налита вода, в одном холодная,  в другом – горячая. Опустили одновременно в стаканы пакетики с чаем. Время окрашивания в холодной воде составило 35 сек., в горячей воде чай быстрее окрашивает воду- 19 сек.

2.Агрегатное состояние вещества. Диффузия протекает быстрее в газах, чуть медленнее в жидкостях и очень медленно в твердых телах. Провели эксперимент: разрезали апельсин, опустили в стакан пакетик чая и на срез сырой картофелины насыпали несколько кристалликов марганцовки. Запах апельсина распространился по комнате за несколько секунд (3 сек), чуть больше потребовалось времени для того, чтобы чай окрасил воду (19 сек), а молекулы марганцовки примерно только на 1 см проникли в картофель за 5 часов (Приложение 7).

Глава 2. Осмос и диализ – формы проявления диффузии

В  мире живых организмов диффузия проявляется в двух формах – диализе и осмосе. Диализ – это разделение спомощью пористой перегородки (мембраны) растворенных веществ, различающихся  массами.  Процесс основан на неодинаковых скоростях диффузии этих веществ через мембрану. Осмос – это движение (односторонняя диффузия) воды через биологическую мембрану, которая пропускает воду и не пропускает растворенные в ней вещества. Такая мембрана называется полупроницаемой. 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.

Каждый из нас не раз наблюдал формы проявления диффузии (осмос и диализ). Например: Лимон и сахар, нашинкованная капуста и соль.

        Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748, однако исследование этого явления было начато спустя столетие (Приложение 1).  

Глава 3. Роль диффузии в природе и вредное проявление  на природу, и процессы, протекающие в ней.

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. 

  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. Наблюдая за муравьями, я всегда задумывалась над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости. Могут ли живые организмы использовать запах на дуэли? Задрав длинный пушистый хвост в чёрную и белую полоску, кошачий лемур посылает сородичам сообщения, испуская сильный запах. Диффузия в действии!

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.

Роль диффузии в природе:

•Поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли.

•Воздушное питание растений сквозь поверхность листьев. В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.

•Растение получает минеральные вещества и воду  из почвы.

•Снабжение природных водоёмов и аквариумов кислородом.

•Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

•Для крашения волокон ткани.

•Соление овощей, варка варения, получение компотов.

•Все вредные отходы, оставляемые человеком, проникают в почву, воду, а затем впитываются животными и растениями  и др.

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.

Глава 4. Влияние диффузии на жизнедеятельность человека

  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. 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.

Глава 5. 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.

По средствам диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, человек чувствует запах духов, дыма, который распространяется на большие расстояния. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.

В жидкостях диффузия протекает медленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем. 
        Еще один часто встречающийся пример проявления диффузии в быту – стирка цветных вещей. Не рекомендуется мокрую ткань, окрашенную в темный цвет, оставлять на длительное время в соприкосновении с белой тканью. Начинается диффузия, молекулы краски проникают в ткань белого цвета.
         Следует отметить, что диффузия нашла широкое применение в электронной промышленности, с ее помощью изготавливают многие полупроводниковые приборы. Также она используется при выплавке многих металлов, например, стали. Для придания стальным деталям значительной прочности их помещают в специальные печи, где находясь в разогретом состоянии они насыщаются углеродом. Атомы углерода проникают в поверхностный слой металла и повышают его прочность.
Как видно из приведенных примеров диффузия играет очень важную роль в быту и технике. 

Практическая часть.

Опыт №1 Наблюдение явления диффузии в жидкостях

(приложение 2)

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

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

Я взяла кусочек марганцовки, и сосуд с чистой водой при температуре 22 °С. Положила в сосуд кусочек перманганата калия и начала наблюдать за происходящим. Через 1 минуту вода в сосуде начинает окрашиваться. Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ марганцовки. 

С момента начала опыта прошло 18 минут. Цвет воды становится более интенсивным. 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 1 час 27 минут. Вода полностью окрасилась в малиновый цвет.

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

Проведя тот же самый опыт, но перемешивая воду (взбалтывая), я убедилась, что процесс диффузии происходит гораздо быстрее (2 минуты).

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

Опыт №2 Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры (приложение 3)

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

Приборы и материалы: термометры – 2 шт, секундомер – 1 шт, колбочки – 4шт, чай, перманганат калия.

Описание опыта и полученные результаты: (опыт приготовления чая при начальной температуре 20°С и при температуре 91° С в двух колбочках).







Рис.1 Рис.2. Рис.3





Рис.4. Рис.5. Рис.6.


Взяли два сосуда с водой при t=20 °С и t=91 °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.

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




Рис.7.

Я опустила в каждый стакан одинаковое количество перманганата калия. В том стакане, где температура воды была выше, процесс диффузии протекал значительно быстрее (рис.7.)

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

Опыт №3 Влияние различных веществ на поверхности воды на процесс диффузии (приложение 4)

Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость испарения воды и сделать вывод о скорости протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры – 4 шт, секундомер – 1 шт, блюдца с водой – 4 шт, бензин, керосин, растительное масло.

Описание опыта и полученные результаты: в блюдца я налила воду одинаковой массы и одинаковой температуры (36 градусов), затем в первое блюдце налила бензин (5 мл), во второе – керосин (5мл), в третье – растительное масло (5 мл), в четвертом вода оставалась чистой. Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 10 минут снимались показания термометров, помещенных во все жидкости. Результаты измерений зафиксированы в таблице.

Время	Температура чистой воды, С	Температура воды с бензином, С	Температура воды с керосином, С	Температура воды с растительным маслом, С
12:30	36	36	36	36
12:40	32	33	33	34
12:50	28	29	29	31
13:00	25	27	27	29
13:10	22	23	23	26
13:20	21	21	21	23

При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая пленкой бензина, керосина и растительного масла, остывает медленнее, то можно говорить о том, что и молекулам кислорода труднее покинуть в воду. 

Вывод: при наличии различных веществ на поверхности воды - процесс диффузии происходит медленнее. Так в окружающей природе разлитая нефть нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.

Опыт №4 Влияние различных веществ на окрашивание цветов

(приложение 5)

Обычно покраской цветов занимаются селекционеры или магазины по продаже цветов, но мы и сами можем легко это сделать.

Для покраски цветов в домашних условиях нужно:

·         Цветы (желательно с белыми лепестками).

·         Пищевые красители.

·         Вода. 

Лучше всего поддаются окрашиванию ромашки, розы, гвоздики, тюльпаны, хризантемы и георгины, лилии. Более яркий и насыщенный цвет можно получить на белых и кремовых оттенках – их можно красить практически в любой цвет.

Чем больше цветок стоит в подкрашенной воде и чем концентрированнее раствор, тем более яркий и насыщенный получается цвет. Хранить окрашенные цветы лучше при комнатной температуре.

Методика окрашивания в один цвет срезанных цветков: разводим пищевую краску в отдельной емкости вводе комнатной температуры. Обновляем срез на стебле цветов. Срез нужно делать косым, чтобы увеличить площадь. Ставим цветы в окрашенную воду. Первый результат уже можно будет видеть через пару часов, но полностью цветок окрасится лишь через 8 часов. Время, необходимое для изменения цвета зависит от вида цветов и условий, преобладающих в момент эксперимента.

Условия, ускоряющие процесс:

1. Поставить цветок в солнечное место.

2. Более высокая температура ускоряет испарение и растение будет увеличивать поглощение воды на его ножке. 

В ходе работы провели следующие исследования:

1.Окрашивание белой гвоздики китайским раствором красителя для тканей. Для эксперимента взяли краситель универсальный для тканей синий «Прибой». Цветок гвоздики выдержали в емкости с раствором данного красителя 2 дня. Окрашивание не наблюдали, цветок начал увядать.

2.Окрашивание белой гвоздики китайской  раствором перманганат калия. Поставили цветок белой гвоздики на пару дней в емкость с водой, где предварительно растворили раствор зеленки. Окрашивание не наблюдали (Приложение….).

3.Окрашивание раствором пищевого красителя.

Поставили цветок белой гвоздики на пару дней в емкость с водой, где предварительно растворили пищевой краситель «Оранжевый». Окрашивание наблюдали уже через 1,5 часа. Окраска цветка была бледно-оранжевая. Через два дня наш цветок окрасился в оранжевый цвет.

Опыт № 5 Диффузное перемешивание жидкостей (приложение 6)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы изучили материал о таком процессе как диффузия. Это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого.

Диффузия имеет огромное значение в жизнедеятельности  человека, животных и растений, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.

Также при написании работы познакомились с формами проявления диффузии – осмосом и диализом.

Провели опыты, характеризующие закономерности протекания диффузии: влияние температуры и агрегатного состояния вещества. Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры, протекает быстрее в газах, чуть медленнее в жидкостях и очень медленно в твердых телах.

Узнали, что первые красители били жи­вотного  и растительного происхождения, которые использовались до 60 ‒ 70-х гг. 19 в.

               Рассмотрели  транспортную систему в растительном организме. В растениях вода и минеральные вещества передвигаются вверх по восходящему току от корней к листьям и цветкам. Органические вещества передвигаются вниз от листьев по нисходящему току.

Провели исследования по окрашиванию срезанных цветов: красителем для тканей, гуашью и акварельными красами наши цветы не окрасились. В растворе с красителем для тканей цветок начал погибать. Пищевой краситель хорошо окрашивает срезанные цветы.

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

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

•         Батурицкая Н.В., Фенчук Т.Д.  Удивительные опыты с растениями: Кн. Для учащихся. – Мн.: Нар. Асвета, 1991. - 208 с.

•         Полевой В.В. Физиология растений: Учеб. Для  биол. Спец. Вузов. - М.: Высш. Шк., 1989. -  464 с.

•         Чуб В. Для чего нужны антоцианы // Цветоводство. – 2008. №6 – С. 22

•         Ольшанская  О.М., Артемоа А.В. Текстильная химия, 2000, №1, с. 98-106.

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

•         Энциклопедический словарь юного химика - М.: Педагогика, 1982. - 141 с

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

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

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

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

•         Wikipedia.org

•         http://bookflowers.ru

•         http://fizrast.ru/fiziol-kletka

•         http://dic.academic.ru

•         http://www.xumuk.ru

Краткое описание документа:

Явление диффузии мы наблюдаем каждый день: завариваем пакетик чая, приготавливаем красящий раствор, когда душимся духами, стираем белье. И даже когда сгорает что-то на плите, а запах чувствуется по всему дому, мы вновь сталкиваемся с явлением диффузии.

Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике. Однаконе у всех людей есть достаточное представлениео протекании этого явления.