Удивительная диффузия. Исследовательская работа

Если капнуть краску в воду
И немного подождать,
То создание раствора
Можно будет наблюдать,
Если в сад весною выйдешь
Аромат цветов вдохнёшь,
Эти странные явленья
Ты диффузией зовёшь.

Введение

В этом году у нас появился новый предмет - физика. Физика - это наука о природе.

Недавно на уроке мы изучали очень интересную тему, называется -диффузия. Даже не могла представить себе насколько это важное явление в нашей жизни, насколько оно играет огромнейшую роль в жизни как людей, так и всей нашей планеты. Поэтому, я захотела узнать об этом явлении как можно больше.

Актуальность данного исследования

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 везде: в природе, в технике, в быту. Каждое утро, выпивая кружку чая перед выходом в школу, я и не догадывалась, что наблюдаю явление диффузии. Ведь именно благодаря этому явлению мы дышим, ощущаем приятные запахи, едим вкусную пищу с приятными ароматами. Исследование диффузии помогает лучше понять явления, с которыми мы сталкиваемся каждый день. К сожалению, диффузия может оказывать не только положительное, но и отрицательное 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.

Цели проекта:

• Расширить знания о диффузии;
• Выяснить: от чего зависит диффузия;
• Рассмотреть роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека;
• Подтвердить теоретические факты экспериментами;
• Рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах.
• Обобщить приобретенные знания и сделать выводы.

Задачи проекта:

• Подобрать и изучить материал по теме«Диффузия»;
• Познакомиться с проявлением диффузии в жизни человека, так же познакомиться с влиянием явления диффузии на окружающую среду и человека;
• Описать наиболее интересные опыты по диффузии.

Методы исследования:

• Изучение и анализ литературных и информационных источников;
• Наблюдение;
• Анализ информации и результатов;

Гипотеза: диффузия имеет важное значение для человека и природы. Именно это я и хочу доказать.

Что же такое диффузия?

Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

История открытия

В 1827 году Роберт Броун исследовал пыльцу растений. Для этого из клеток пыльцы он выделил цитоплазматические зерна и взвесил их в воде. ( взвесил, это означает, что вещество не растворяется водой и плавает внутри жидкости в виде мельчайших частичек). В микроскоп Броун увидел необъяснимое явление - мельчайшие крупинки непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Броун не мог не обратить внимание на это удивительное явление, тем более что движение никогда не прекращалось.

Так же движение убыстрялось с увеличением температуры и с уменьшением размеров частиц, и замедлялось с увеличением вязкости жидкости. Броун - ботаник предположил: если что-то движется, значит это что-то - живое. Поэтому пришел к выводу, что пыльца - живая!

Но еще одна заслуга Броуна в том, что ему удалось отыскать кусочек природного кварца, внутри которого была полость заполненная водой. Вода попала туда много миллионов лет тому назад. И в этой воде соринки продолжали совершать вечное движение.

Причина броуновского движения заключается в непрерывном, никогда не прекращающемся движении молекул жидкости (газа), в которой находятся крупинки твёрдого тела.

Очень понравился пример из нашего параграфа, не могу не поделиться им. Можно привести такое сравнение. Группа людей играет на воде в огромный мяч. Они толкают мяч и от этого он движется то в одном, то в другом направлении. Если наблюдать эту игру издали, то людей не видно, а беспорядочное движение мяча происходит как будто без причины.

Так же мы не видим самих молекул, но понимаем, что непрерывное и беспорядочное движение крупинок происходит из-за толчков молекул.

Следовательно:

Явление «диффузия», его сущность

Перемещения частиц при броуновском движении, внешне очень похоже с движением частиц при диффузии. Тогда в чем же различие между броуновским движением и диффузией? На самом деле и диффузия и броуновское движение происходят по причине хаотического теплового движения молекул.

Разница между ними в том, что при диффузии молекула всегда движется по прямой линии, пока не столкнется с другой молекулой, после чего она изменит траекторию своего движения. Броуновская частица «свободного полета» не совершает, она испытывает частые движения, как «дрожь», после чего она хаотически перемещается то туда, то сюда. Хочу привести такой пример, броуновскую частицу можно сравнить с пустой консервной банкой, валяющейся на дороге, где много людей. Люди ходят туда-сюда, задевают банку своими ногами и она летает хаотически в разные стороны подобно броуновской частице. А вот движение самих людей в толпе уже более характерно для движения частиц при диффузии.

Я провела в классе такой эксперимент, разбрызгала духи. Через некоторое время все почувствовали запах пахучего вещества, хотя изначально никто этого и не видел. При этом запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему же так происходит? Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Распространение запаха объясняется движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, которые входят в состав воздуха, молекулы дезодоранта много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всему помещению.

Итак, Процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения называется диффузией. Благодаря диффузии происходит распространение запахов на большие расстояния.

Но, для чего нам нужно знать это явление, где я могу применить эти знания?

В частности, роль диффузия в газах. Эти знания мне нужны, например, дома. Природный горючий газ, которым мы пользуемся, 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.

И благодаря диффузии можно сразу же почувствовать утечку газа и избежать трагедии.

Даже когда сгорает что-то на плите, а запах чувствуется по всему дому, мы вновь сталкиваемся с явлением диффузии. И опять можно во время предотвратить проблему.

Так же очень интересно бывает наблюдать летом за муравьями, я всегда задумывалась над тем, как они, такие маленькие в этом огромном мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и здесь на помощь приходит диффузия. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости. Запах распространяется на большие расстояния, благодаря диффузии, и муравьи без труда находят дорогу домой.

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки всегда находят дорогу к красивому цветку. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии.

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.

Так же хочу рассказать еще об одном животном - лягушка. Лягушка - очень интересное животное. Хотя бы потому, что живет в воде, но не пьет ее, на суше дышит легкими и влажной кожей, а в воде - через кожу. Основа этого процесса - та же диффузия. Как же не восхищаться этим удивительным явлением!

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. 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 тяжелого углекислого газа, над ним - кислород, выше - азот инертные газы.

Именно диффузия помогает поддерживать баланс различных газов в атмосфере Земли. Благодаря ей газы перемешиваются, распространяются и разбавляются, обеспечивая умеренные условия нашей планеты.

Не менее интересно протекает диффузия и в жидкостях. Хочу обратить ваше внимание на опыт, который я проводила.

В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом - горячая. Опускала одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно было заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия здесь протекает быстрее. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы горячей жидкости двигаются быстрее.

В жидкостях диффузия протекает по медленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания.

Недавно мы дома делали заготовки на зиму и, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливали горячим рассолом. На самом деле, засолка огурцов и других продуктов тоже основана на явлении диффузии. Соленая вода в результате этого процесса проникает внутрь продукта, который мы засаливаем. Если использовать для засолки горячую соленую воду - процесс пойдет быстрее, ведь явление диффузии зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее протекает.

Диффузия так же протекает и в твердых телах, но гораздо медленнее, чем в газах и жидкостях. Это связано с тем, что молекулы твердых тел находятся ближе друг другу, чем молекулы газов или жидкостей. Например, при комнатной температуре (20°С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм (рис. 25). В приведённых опытах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию.

Диффузия так же протекает и в твердых телах, но гораздо медленнее, чем в газах и жидкостях. Это связано с тем, что молекулы твердых тел находятся ближе друг другу, чем молекулы газов или жидкостей. Например, при комнатной температуре (20°С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм (рис. 25). В приведённых опытах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию.

И еще очень много интересной информации о роли диффузии в жизни

Например, процессы очистки газа

Диффузия также используется для очистки газа от загрязнений. Например, при производстве питьевой воды диффузия может быть использована для удаления нежелательных газов, таких как хлор или аммиак.

Также диффузия может быть использована для удаления загрязнений из воздуха, например, при использовании фильтров или специальных материалов с высокой поглощающей способностью.

Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»

Искусственная почка - это прибор, который в течении некоторого времени может заменять неработающую почку.. Этот аппарат помогает организму избавиться от продуктов обмена, токсических веществ.

Данная система заменяет человеку настоящий орган в случае серьёзной патологии почки. Она избавляет организм от отходов, выводит токсические вещества, излишки воды и корректирует водно-солевой баланс.

Работа этой системы основана на обмене веществами между кровью и диализирующим раствором с электролитами через мембрану. А этот процесс возможен только благодаря явлению диффузии.

Так же на явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, которые происходят 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. (Проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества)

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. 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 огромен. Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, которую используют для питья, нужно очищать, а это очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, по этой причине снижается содержание кислорода в воде, а это плохо для водных организмов. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, устанавливают специальные фильтры. Каждому человеку нужно следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты. Из личных наблюдений, так же по новостям мы видим, сколько мусора оставляют за собой люди после отдыха на берегу реки и в других местах.

И еще хочу обратить ваше внимание на одну очень важную проблему. Наверное, мы все страдаем от этого, особенно сейчас, осенью - это поджог листьев и мусора. Благодаря диффузии запах распространяется на большие расстояния. Я живу в сельской местности и с приходом холодов возникает удушающий смог, который образуется множеством костров с тлеющими листьями. При этом люди, которые пытаются утилизировать подобным образом органический мусор, часто даже не догадываются, что подвергают свою жизнь и жизнь окружающих людей серьезной опасности. По оценкам специалистов, дым от горения листьев в 300-350 раз опаснее, чем дым от сигарет. Он может привести как к долгосрочным негативным последствиям для здоровья, таким как онкологические заболевания, так и мгновенным, например, отеку легких или сердечному приступу.

Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию.

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. Диффузия присутствует во всех сферах жизнедеятельности человека, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.

Заключение

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе.

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.

Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, которые влияют на ее протекание в природе, я пришла к выводу, что надо чаще привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды.

Когда я готовили эту работу, то хотела, чтобы люди хранили, ценили нашу природу. Экология - это то, что окружает каждого из нас. Еще никогда так остро не стояла угроза экологического кризиса, как сегодня. На планете стремительно исчезают различные виды уникальных животных и растений. С каждым днем все больше загрязняется окружающая среда.

Поэтому, я пришла к выводу, что экологическое воспитание надо осуществлять с малых лет.

Чтобы внести свой посильный вклад в экологическое воспитание школьников, я хотела бы выступить с этим сообщением перед учащимися других классов для того, чтобы они поняли, как важно бережно относиться к природе и нашей Земле в целом.

Список литературы

1. Енохович А.С. Краткий справочник по физике.
2. Камин А.Л. Физика. Развивающее обучение. 7 класс. Ростов-на-Дону, Феникс. 2003 г.
3. Кембровский Г.С. Пособие по физике.
4. Материалы с сайта www.fizika.ru