Проект по физике "Диффузия вокруг нас"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Губаревская средняя общеобразовательная школа

Научно-практическая конференция

«Киселевские чтения»

Исследовательская работа на тему

«Диффузия вокруг нас»

Выполнила: Крюкова Мария, учащаяся 7 класса Руководитель: Горбунова Ирина Вячеславовна учитель физики и математики

с. Губарево 2019 год

Содержание

I. Введение……………………………………………………………… 3

1.1.Определение диффузии…………………………………..………… 3

1.2.История открытия диффузии………………………………………. 4

II. Явление диффузии, его сущность ……………………………….  6

2.1.Описание процесса диффузии……………………………………..  6

2.2.Объяснение явления диффузии……………………………………  6

III. Значение диффузии ……………………………………………… 7

3.1.Роль диффузия в природе…………………………………………. 7

3.2. Осмос. Практическое применение осмоса………………………. 9

3.3. Роль осмоса в питании растений………………………………… 10

3.4. практическое применение осмоса……………………………….. 11

3.4. Применение диффузии в медицине.                                                                       Аппарат «искусственная почка»……………………………………… 12

3.5. Влияние  диффузии  на жизнедеятельность человека………….. 13

IV. Практическая часть …………………………………………….. 14

4.1. Исследование диффузии в жидкостях…………………………… 14   

4.2. Исследование диффузии в газах…………………………………. 16

4.3. Исследование осмоса……………………………………………..  20      

V. Заключение  ……………………………………………………...    24

VI.Список использованной литературы ……………………..…… 26

I.                  Введение.

1.1.          Определение диффузии.

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  речь пойдет о диффузии.

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

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.

1.2. История открытия 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. 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

    

К.Нейман (1872)- Предсказание               Дж. Максвелл (1866)- Теория переноса в общем термодиффузии                                            виде (диффузия, теплопроводность)

II.               Явление диффузии, его сущность.

2.1.          Описание процесса диффузии.

         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.

2.2.          Объяснение процесса диффузии.

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.

III.           Значение диффузии.

3.1.          Роль  диффузии  в природе

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.

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

                   

     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.

3.2.          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.

3.3.          Роль осмоса 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);

3.4.          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.

3.5.          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.

3.6.          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. 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.

IV.            Практическая часть.

4.1.          Исследование диффузии в жидкости.

Опыт 1. Возьмем стакан с чистой водой, аккуратно с помощью трубки на дно стакана нальем медный купорос, вначале видна четкая граница раздела между водой и раствором. Через некоторое время граница раздела расплывается, а затем совсем исчезает. В сосуде образуется однородная голубая жидкость. Жидкости перемешались.

                         

 Через сутки

Опыт 2. Два стакана, один с холодной водой, другой с горячей. Бросим в них пакетики с чаем. В стакане с горячей водой чай заварился быстрее.

            

Вывод: скорость протекания диффузии зависит от температуры, чем выше температура, тем быстрее протекает процесс.

4.2.          Исследование диффузии в газах.

Опыт 3. Картофель разрежем на две части. На одну часть капнем йод, так как картофель содержит крахмал, то йод окрасит его в темно-синей цвет. На дно стакана положим вату, смоченную йодом, и накроем стакан второй половинкой картофеля. Через 30 мин на картофеле появился темно-синий круг.

            

               

Прошло 30 минут

Вывод: произошла возгонка йода, пары йода про диффундировали в картофель.

Опыт 4. Возьмем стеклянную трубку, с одного конца поместим ватку, смоченную нашатырным спиртом, с другого конца ватку, смоченную фенолфталеином. Через 1 минуту ватка, смоченная фенолфталеином окрасится в розовый цвет.

Вывод: пары нашатырного спирта про диффундировали через трубку и вступили в реакцию с фенолфталиином.

Опыт 5. Возьмем стеклянную трубку, с одного конца поместим ватку, смоченную аммиаком, с другого – смоченную соляной кислотой. Через пять минут в трубке появится белый дым, что доказывает о смешении двух газов. Причем белый дым образовался ближе к концу с соляной кислотой.

                           

Вывод: скорость протекания диффузии зависит от массы молекул газа, чем больше масса молекулы, тем медленнее протекает процесс диффузии.

Итак, из проведенных опытов можно сделать вывод: 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.

4.3.          Исследование осмоса.

Опыт 6. Возьмем два куриных яйца, опустим в 9-ти процентный раствор уксусной кислоты на сутки. Скорлупа растворится в уксусной кислоте и яйцо останется в тонкой пленке, опустим теперь одно яйцо в чистую воду, а второе в подкрашенную воду. Через день яйца увеличились в размере, вода через пленку прошла во внутрь.

      

                 

                 

Вывод: вода проникла во внутрь яйца, выравнивая концентрацию по обе стороны пленки.

Опыт 7. Возьмем картофель, вырежем два одинаковых кубика. Поместим один кубик в чистую воду, а второй в соленую воду. Через три часа кубик картофеля из стакана с чистой водой увеличится в размере станет более упругим, так как концентрация солей внутри картофеля больше и вода приникла внутрь, выравнивая концентрацию. А кубик из стакана с соленой водой, уменьшится и станет мягким так как концентрация солей в воде была больше, чем внутри картофеля, поэтому вода вышла из картофеля.

Опыт 8. Возьмем морковь, срежем верхушку и вставим стеклянную трубку. Опустим морковь в воду, а в стеклянную трубку нальем соленую воду, отметим уровень воды. Через три часа уровень воды в трубке увеличится.

                      

Прошло три часа

             

Это явление называется осмотическим давлением, благодаря которому вода и питательные вещества поднимаются вверх по стеблю растений.

Вывод: осмос имеет большое значение для растительных и животных организмов, способствуя достаточному обводнению клеток и межклеточных структур, осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества. Возникающее после этого осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества. Наличие воды необходимо для нормального течения различных процессов.

V. Заключение.

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.

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 .

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.

VI. 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