XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение процесса диффузии в живых клетках и неживой природе
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сущность диффузии – движение частиц среды, приводящее к переносу веществ и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения частиц данного вида в среде. Тогда говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом вещества переносятся из раствора с высокой концентрации с низкой концентрации. Диффузии молекул и атомов обусловлена их тепловым движением.
Актуальность.
Да, вопрос диффузии действительно один из самых простых, но это не значит, что он малозначимый. Диффузия встречается в нашей жизни повсеместно. Например, когда завариваем чайный пакетик в горячую воду или растворение стирального порошка.
Проблема: Как можно использовать диффузию в повседневной жизни?
Гипотеза: Процесс диффузии одинаков как в живых объектах, так и в различных средах.
Цель: Изучить процесс диффузии в живых клетках и неживой природе.
Объект исследования: Раствор минеральных веществ.
Предмет исследования: Изменение концентрации раствора минеральных веществ по обе стороны мембраны.
Задачи:
-
Изучить литературу по данному вопросу.
-
Изучить методику выполнения экспериментов.
-
Поставить эксперимент, доказывающий диффузию через плазматическую мембрану, на примере кожицы чешуи луковицы.
-
Провести эксперимент диффузии в жидкостях.
-
Проанализировать результаты эксперимента и сделать выводы.
-
Обзор литературы
-
Диффузия и её причины
-
Диффу́зия (лат. diffusio «распространение, растекание, рассеивание; взаимодействие») — процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Например, от теплопроводности материалов. Например, тепловая диффузия в кусочке металла протекает с огромной скоростью. А в кусочке стекла тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул будет зависеть от площади их соприкосновения. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, Роберт Бойль показал, что если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь. При этом при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет. Другой пример – систематические исследования диффузии свинца в золото, проведенные Уильямом Робертсом-Остеном и опубликованные в 1896 г. Под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на один миллиметр [6].
Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.
Если о диффузии говорить простым языком, то надо вспомнить, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение. Доказательством этого движения является то, мы быстро начинаем чувствовать запах духов или дезодоранта, запах еды, которую готовят на кухне, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Значит, основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул. Чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную [3].
Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).
Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия и растворить в воде, то марганцовка в результате диссоциации распадется на ионы калия и манганат-ионы вследствие разрушения кристаллической решетки диполями воды.
Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.
Частицы веществ при диффузии за определенное время равномерно распределяются по всему объему.
Явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла диссоциировать в растворе не будут.
1.2 Диффузия в твёрдых телах, жидкостях и газах
В твердых телах диффузия происходит очень медленно, так как для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.
Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.
Скорость протекания диффузии в жидкостях намного выше, чем в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.
В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие изменения при диффузии газов может вносить разве только гравитация [4].
1.3 Диффузия в химии, биологии и медицине
Впервые процесс диффузии был описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г. Название данного термина было образовано от латинского отглагольного существительного diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение) [2] .
Примером диффузии в природе может служить процесс дыхания живых организмов. Именно благодаря этому процессу кислород из легких попадает в кровь, а из крови – в органы и ткани организма. Выдыхаемый организмами углекислый газ не скапливается в одном месте, а рассеивается в пространстве и смешивается с кислородом, поэтому мы можем длительное время спокойно дышать в закрытой комнате без ветра. И, когда мы проветриваем комнату и впускаем свежий воздух, насыщенный кислородом, кислород, благодаря диффузии, быстро распространяется по всему объему комнаты [5].
Проблема заживления ран различной происхождения относится к числу основных разделов медицины, которые не утратили своего значения и в настоящее время. Лечение этой проблемы в кратчайшие сроки без гнойных осложнений возможно современными эффективными ранозаживляющими препаратами, которые благодаря диффузии проникают в ткани. [1]
II. Основная часть
II.1. Изучение диффузии на препарате кожицы лука
Методика:
1. Приготовить препарат кожицы чешуи лука, рассмотреть под большим увеличением микроскопа.
2. Провести и пронаблюдать плазмолиз и деплазмолиз.
1) Снять препарат со столика микроскопа, на предметное стекло вплотную к покровному стеклу нанести каплю 10%-го раствора поваренной соли.
2) С противоположной стороны покровного стекла, также вплотную к нему, поместить полоску фильтрованной бумаги, которой оттягивается вода до тех пор, пока раствор соли, войдя под покровное стекло, полностью не заместит ее.
Через некоторое время начнется плазмолиз.
3). Затем, не снимая покровного стекла, оттянуть фильтрованной бумагой плазмолизирующий раствор и заменить его водой, наступит деплазмолиз вследствие утраты ею воды. Данный процесс обратим. Увеличение объема цитоплазмы до исходного уровня называют деплазмолизом.
Для плазмолиза используют гипертонический раствор физиологически безвредного вещества, в частности, поваренной соли.
II.2. Изучение диффузии в растворе
Приготовили 15 % силикатного клея. Для этого взяли 15 мл клея, добавили 85 мл воды, затем аккуратно в раствор опустили кристаллы 5-водного сульфата меди(II), 7-водного сульфата никеля, 7-водного сульфата железа(II), поваренной соли. Через 5 минут кристаллы в растворе стали расти вверх и ветвиться.
II.3. Обсуждение результатов экспериментов
Когда приготовили микропрепарат кожицы лука в капле воды, мы наблюдали, что цитоплазма плотно прилегала к мембране (Фото 1). После того, как мы нанесли на препарат концентрированный раствор соли, увидели, что цитоплазма сжалась и отошла от клеточной стенки. Под действием высокого осмотического давления вода из клеток диффундирует в межклеточное пространство, объем клеточного сока сокращается, объем клеточной вакуоли уменьшается (Фото 2).
После нанесения на препарат капли чистой воды, через некоторое время вода диффундирует из межклеточного пространства в клетку и заполняет вакуоли, давление клеточного сока на цитоплазму увеличивается, и она снова стала прилегать к клеточной стенке (Фото 3).
Рост и ветвление кристаллов в растворе силикатного клея объясняется следующими причинами: вокруг введенных кристаллов образуется концентрированный раствор соответствующей соли, а на поверхности его при соприкосновении с раствором силикатного клея образуется слой труднорастворимого силиката, который играет роль полупроницаемой мембраны. Вследствие осмотического давления вода проникает через полупроницаемый слой и разбавляет находящийся вокруг кристалла концентрированный раствор. Давление увеличивается, полупроницаемый слой лопается, и концентрированный раствор соли выливается наружу (Фото 4).
На основании проведённых экспериментов можно сделать вывод, что процесс диффузии одинаков как в живых объектах, так и в различных средах. Гипотеза подтвердилась.
-
Заключение:
Входе работы я изучила источники информации, касающиеся сути диффузии и её причин, значения диффузии в химии, медицине и других сферах деятельности человека.
Изучила методику выполнения экспериментов, поставила эксперимент, доказывающий диффузию через плазматическую мембрану на примере кожицы чешуи лука, провела эксперимент, показывающий диффузию в жидкостях, проанализировала результаты эксперимента и сделала выводы.
Знания о диффузии можно применить и в быту, например, при быстрой «сухой» засолке огурцов. Предлагаю один из опробованных рецептов приготовления.
На 1 кг свежих огурцов потребуется 1,5 столовых ложки соли, 3-4 зубка чеснока, небольшой пучок укропа. Огурцы разрезать вдоль на 4 части, добавить соль, мелко порубленные чеснок и укроп, сложить в полиэтиленовый пакет, хорошо встряхнуть, пакет завязать и оставить на пару часов. Приятного аппетита!
-
Источники информации
-
бмэ.орг›index.php
-
https://himya.ru/diffuziya.html
-
https://obrazovanie.guru/nauka/fizika/diffuziya-opredelenie-i-primery-v-okruzhayushhem-mire.html
-
poznavayka.org›fizika/diffuziya/
-
https://rosuchebnik.ru/material/diffuziya-7529/
-
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F
-
Приложения
Фото 1. Препарат кожицы чешуи лука
Фото 2. Плазмолиз в клетках кожицы чешуи лука
Фото 3. Деплазмолиз в клетках кожицы чешуи лука
Фото 4. Диффузия кристаллов солей в растворе силикатного клея