XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Всемогущая диффузия
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Выбирая тему для проекта, я остановился на очень интересной теме: «Всемогущая диффузия». Я решил глубже узнать, что скрывается за этим странным словом, а следуя пословице «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать», постарался увидеть все своими глазами.
На практике часто встречаешься с явлениями, которым поначалу не придаешь особого значения, но присмотревшись, начинаешь понимать и искать объяснения таким обыденным в жизни явлениям и понимать, какую огромную роль они играют в природе и в жизни человека.
Вспомним известные пословицы:
Ложка дёгтя в бочке мёда;
На мешке с солью и верёвка солёная;
Капля яду ведро молока портит.
А ведь если задуматься, то можно увидеть, что в каждой из них упомянут процесс удивительной диффузии!
Вот еще несколько примеров, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Сидя в комнате, мы по запаху узнаём, что готовит мама на кухне: жарит картошку, котлеты, курицу, варит суп. Мы завариваем чай и наблюдаем, как прозрачная вода меняет цвет.
Чем больше я читал, смотрел фотографии, тем больше понимал, что диффузия – это просто фундаментальное явление природы. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атом и молекул, и заканчивая биосферным уровнем (круговорот веществ в биосфере, поддерживает однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности земли). Но самое главное, и интересное, что процесс диффузии происходит и в теле человека. Примером диффузии в природе может служить принципиально важный для жизни процесс – дыхание. Именно благодаря диффузии кислород из легких попадает в кровь, а из крови – в органы и ткани организма.
Благодаря диффузии выдыхаемый нами углекислый газ не скапливается вокруг нас, а рассеивается в пространстве и смешивается с кислородом, поэтому мы можем длительное время спокойно дышать в закрытой комнате без ветра. На мой взгляд, это явление достойно подробного изучения и в этой работе будет рассмотрено конкретное физическое явление - диффузия. Одно из самых значимых явлений в физике, имеющий так много в себе того, что мы встречаем повседневно и используем себе во благо.
Цель моей работы: изучить явление диффузии с точки зрения физики.
Задачи,стоящие передо мной следующие:
изучить явление диффузии в живой и неживой природе в различных источниках информации;
провести опыты по изучению данного явления;
понять, какие факторы влияют на скорость его протекания;
провести опыты и проанализировать полученную информацию.
Методы исследования:
поиск и изучение литературы;
эксперименты и наблюдение;
анализ и систематизация полученной информации.
Глава 1. История открытия диффузии
Ещё задолго до нашей эры, в период расцвета древних культур возникло учение о мельчайших частицах, из которых построено любое вещество.
Древнегреческие философы Анаксогор и Демокрит считали, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов. Разнообразие веществ, имеющихся в природе, объясняется не разнообразием различных сортов атомов, но разнообразием различных соединений этих атомов. Атомы невидимы и не обнаружимы в отдельности только вследствие своей чрезвычайной малости. Атомы находятся в непрерывном движении, соединения их могут распадаться, превращаясь в другие соединения.
Те же мысли встречаем мы у Эпикура, а несколько позже у древнеримского поэта и мыслителя Лукреция.
В подлинную научную теорию эти идеи превращаются только в XVIII веке. Одним из основателей молекулярно-кинетической теории вещества является русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765 г.г). Представление о молекулярном строении тел на первый взгляд не согласуется с нашим обычным опытом: тела представляются нам сплошными. Однако это возражение нельзя считать убедительным. Причина кажущегося разногласия в том, что атомы и молекулы слишком малы.
Итак, из выше сказанного понятно, что любое вещество состоит из молекул. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая некоторые его свойства. В состав молекулы входят атомы – мельчайшие частицы химического элемента, сохраняющие его химические свойства.
Мы не видим молекул. Тем не менее наши представления о молекулах и их движение подтверждаются многочисленными опытами.
Глава 2. Диффузия
Сопоставим несколько простых фактов, позволяющих сделать заключение о движении молекул. Положим в стакан холодного чая кусок сахара. Сахар растает и образует густой сироп на дне стакана. Этот сироп хорошо виден, если посмотреть сквозь стакан на свет. Оставим стакан в покое на несколько часов. Останется ли сироп на дне стакана? Нет, он постепенно разойдется по всему стакану. Это распространение сахара по объёму стакана происходит самопроизвольно, так как никто чая не перемешивал. Точно также расходится по комнате запах (например, если открыть флакон с духами); это происходит даже в том случае, если воздух в комнате совершенно неподвижен. В данных опытах мы сталкиваемся с новым физическим явлением, которое носит название диффузии.
Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, вследствие хаотического движения и столкновения друг с другом, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
При диффузии вещество распространяется во все стороны, также и вверх, т.е. против силы тяжести. Явление диффузии показывает, что молекулы вещества всё время движутся. Например, диффузия сахара в воде разные молекулы растворённого сахара движутся в разные стороны между тоже движущимися молекулами воды, и, таким образом, сахар постепенно распространяется по всему сосуду, заполненному водой.
Диффузию можно определить и по другому – процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения. Таким образом, диффузия – результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.
Глава 3.Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах
Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе. 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.
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.
Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни запаха, ни цвета. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.
Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: кислорода, азота, 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.
Теперь мы знаем, что распространение запаха объясняется движением молекул. Варианты проявления этого явления могут быть таковым:
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.
Летом, наблюдая за муравьями, мы всегда задумывались над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости.
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.
А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки. И деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, так же как и рыбы пираньи.
А теперь посмотрим, что происходит с молекулами в жидком состоянии. Если в сосуд, до половины наполненный раствором медного купороса, осторожно налить чистой воды поверх раствора, то сначала получается резко обозначенная поверхность раздела между бесцветной водой и синим раствором. Но через некоторое время можно заметить, как вода постепенно начинает синеть, поверхность раздела становится нерезкой, а спустя время исчезнет.
Твердые тела, растворяющиеся в жидкости, диффундируют в этой жидкости. Кусок сахара или щепотка соли, брошенные в стакан воды, растворяются в воде; по прошествии некоторого времени в стакане получается вполне однородный раствор этих веществ.
Когда мы хотим утолить жажду, то пьем воду. Но каким же образом выпитая вода попадает в клетки нашего тела? А происходит это благодаря осмосу. Если два раствора с разными концентрациями привести в соприкосновение, то эти растворы в результате диффузии перемешаются. А если два таких раствора разделены непроницаемой перегородкой, то вообще ничего не получится.
Но вот если два таких раствора разделены перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но задерживающей молекулы растворенного вещества, то молекулы растворителя будут переходить в более концентрированный раствор, все более разбавляя его. Возникает осмос — направленное перемещение молекул растворителя через полупроницаемую перегородку, разделяющую два раствора различной концентрации. Диффузия растворителя продолжается до установления равновесия в системе в результате выравнивания концентраций по обе стороны перегородки или в результате возникновения осмотического давления.
Осмос от греческого – толчок, давление. Впервые осмос наблюдал французский химик Нолле в 1748 г.
Оболочки всех без исключения живых клеток как раз и обладают замечательной способностью пропускать молекулы воды и задерживать молекулы растворенных в ней веществ — именно благодаря этому клетка и может утолять жажду.
Я попробовал сделать любопытный опыт. Взял лимон и отрезал несколько тонких долек. Сока при этом практически не получилось. Я посыпал лимонные дольки сахаром — и спустя некоторое время из них потек сок. Тут начал действовать осмос: сок потек из лимона наружу, как бы стремясь возможно сильнее разбавить образовавшийся на его поверхности концентрированный раствор сахара. Еще я наблюдал за мамой ,когда она шинковала капусту и перетерла с солью, то её объём резко уменьшился, а сама капуста стала влажной. Это тоже осмос, только в данном случае снаружи клетки находится соль.
Практическое применение осмос находит в процессе очистки воды.
Эбру- живопись на воде.
История возникновения техники рисования эбру окутана тайнами. Время ее появления неизвестно. Самая старинная из найденных картин в технике эбру датируется XI веком. Но, так как найденная картина выполнена с высоким мастерством, искусствоведы говорят о значительно раннем зарождении искусства Эбру. А значит, рисование на воде существует уже длительное время. Страна, в которой появилась эбру тоже не разгадана. За статус родины Эбру соперничают Индия, Китай, Персия, Сибирь, Пакистан , Туркестан и даже Древний Египет. Сейчас центром рисования на воде является Турция – там настоящие мастера обучают технике эбру. Именно в этой стране изготавливают краски и все необходимые принадлежности для рисования на воде.
Нагретые металлы, сохраняя твердое состояние, диффузируют друг в друга.
Глава 4. Вредная диффузия
В общем, диффузия имеет большое значение в природе и жизнедеятельности человека, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды. На протекание диффузных процессов в природе отрицательное влияние оказывает деятельность человека. Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоемов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в водоемах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому любое загрязнение поверхности воды, губительно для всего живого в водоеме. Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб промышленных и энергетических предприятий, выхлопные газы автомобилей, благодаря диффузии, распространяются на большие расстояния. Воздух и земля ещё загрязняется бытовыми отходами. Загрязняющие вещества попадают в пищу, воздух, воду и наносят огромный вред здоровью человека. Ярким проявлением диффузии, напрямую связанным с экологическими проблемами – это грязный, фактически отравленный выхлопными газами автомобилей, воздух в черте крупных городов, загрязнение отравляющими отходами многочисленных водоёмов и почвы .
21 октября 2018 года во Владикавказе произошёл пожар на заводе «Электроцинк».
Продукты горения вызвали негативное воздействие на атмосферный воздух города, ухудшили экологическую обстановку
Глава 5.Экспериментальная часть
ОПЫТ №1 Определение скорости протекания диффузии в жидкости
Положим на дно стакана крупинку марганцовки и сверху нальем холодную воду. Не перемешивая воду, с помощью секундомера определим, через какое время молекулы марганцовки попадут в верхний слой воды. Измерив высоту уровня воды, вычислим скорость протекания диффузии.
Рис. 3 Реакция марганцовки через 2 часа 2 минуты.
Вывод : процесс диффузии в холодной воде происходит медленнее.
ОПЫТ №2 Зависимость диффузии от вязкости жидкости
Я провел исследование по зависимости прохождения диффузии в различных жидкостях: спирт, вода, масло растительное. В зависимости от вязкости жидкости скорость диффузии была различна. Быстрее всего она прошла в воде, затем по скорости диффузии – спирт, и на третьем месте –растительное масло.
Рис 1. 1 стакан – вода, 2 стакан – спирт Рис. 2 Через 1 час Время – 14 ч. 35 мин
3 стакан – подсолнечное масло
начало опыта время - 13 ч. 35мин
Рис. 3 Время 18ч. 45 мин. Рис. 4. В стакане с водой полное
растворение, в стакане со спиртом на дне ещё Полное растворение и есть кристаллик марганцовки,
окрашивание а в стакане с подсолнечным маслом видно
в воде произошло что процесс диффузии еле-еле начинается.
через 6 часов 10 мин
ВЫВОД:в воде диффузия протекает быстрее,на2месте–спирт и натретьем месте – масло, что объясняется плотностью жидкости.
Опыт №3 Влияние различных веществ на поверхности воды на процесс диффузии.
Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость протекания диффузии.
Приборы и материалы: термометр, секундомер, блюдца с водой – 3 шт, бензин, растительное масло. В три блюдца я налил воду одинаковой массы и одинаковой температуры (36 градусов), затем в первое блюдце добавил бензин (5 мл), во второе – растительное масло (5 мл), в третьем вода оставалась чистой. Отметил время начала эксперимента и через каждые 10 минут снимал показания термометров, помещенных во все жидкости.
Все результаты наблюдений заносил в таблицу
|
Время |
Температура чистой воды, 0 С |
Температура воды с бензином, 0 С |
Температура воды с растительным маслом, 0 С |
|
16:00 |
36 |
36 |
36 |
|
16:10 |
32 |
33 |
34 |
|
16:20 |
28 |
29 |
32 |
|
16:30 |
25 |
27 |
29 |
|
16:40 |
22 |
23 |
26 |
При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая пленкой бензина, и растительного масла, остывает медленнее, то можно говорить о том, что и молекулам кислорода труднее покинуть 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 Диффузия в газах
Я, со своими родителями и сестрой провел опыт: мои родители встали на расстоянии 1,5 м друг от друга и я распылил духи, запах доходил до первого испытуемого через 1 минуту 12 секунд, до второго через 33 секунды, а до последнего через 30 секунд.
Если сравнить скорость протекания опыта в диффузии газа с опытом № 3, то можно сделать вывод, что скорость протекания в газах гораздо выше, чем в жидкостях.
Диффузия в газах прошла через 2 мин. 15 сек. на расстояние 4м 50см.
Диффузия в жидкости через 2 ч. 2мин на расстояние 7 см.
ОПЫТ №5 Диффузия в твердых телах
Проверим процесс диффузии в 2 твердых телах с помощью йода на картошке и луке. (рис.1) День первый. Время - 14 часов 10 минут.
Рис.1 картошка и лук
Рис.2 День второй
Можно заметить что у картошки диффузия прошла по всему разрезу за 2 дня, у лука за 1 день. Отсюда следует что и от построения волокон растения диффузия идет по-разному.
ОПЫТ №6 Влияние температуры на скорость протекания
диффузии
Для этого взял 2 стакана с водой различной температуры: 22℃ и 85℃, опустил в них по пакетику чая и увидел, что диффузия прошла гораздо быстрее в стакане с горячей водой. Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул.
Опыт №7. Эбру- живопись на воде.
Эбру – это уникальная техника рисования, которая предполагает создание узоров на воде и дальнейшее их перенесение на какую-либо поверхность, например, на бумагу или ткань
Заключение
Диффузия зависит от температуры и рода вещества: чем выше температура, тем быстрее протекает процесс диффузии .А так же диффузия играет очень большую роль в нашей жизни, без этого удивительного явления жизнь на Земле была бы не возможна. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе. Я бы отметил, что в нашей республике все-таки недостаточное внимание уделяется проблеме безопасности окружающей среды. Надеюсь, моя работа поможет другим учащимся лучше разобраться в таком интересном и важном явлении как диффузия, будет способствовать развитию интереса к физике.
Список литературы
Енохович А.С.Краткий справочник по физике.
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.ru2